De flesta tänker inte så mycket på zink. Men alla levande varelser behöver zink för att överleva. Detta spårämne hjälper många proteiner att vikas till rätt former för att göra sitt jobb. Och i proteiner som kallas enzymer hjälper zink till att katalysera kemiska reaktioner – inklusive många viktiga för att ge energi till cellerna. Om zink saknas, trivs inte människor, husdjur och växter.

Det är en anledning till att biologer vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory är så intresserade av detta element.

"Vi letar efter sätt att odla bioenergiväxter - antingen växter som producerar biobränslen eller vars biomassa kan omvandlas till bränsle - och att göra det på mark som inte är lämplig för att odla matgrödor", säger Brookhaven Labs biolog Crysten Blaby, som också har en adjungerad anställning vid Stony Brook University. "Så vi är intresserade av strategier som naturen använder för att överleva när zink och andra mikronäringsämnen saknas."

I en artikel som just publicerats i tidskriften Cell Reports, Blaby och hennes kollegor beskriver en sådan strategi:ett så kallat "chaperone"-protein som levererar zink dit det behövs, vilket kan vara särskilt viktigt när tillgången till zink är begränsad. Även om forskare, inklusive Blaby, länge har misstänkt existensen av en zinkförare, ger den nya forskningen det första definitiva beviset genom att identifiera en "destination" för dess leveranser.

Genom en serie biokemiska analyser och genetikexperiment identifierade teamet ett zinkberoende protein som inte kan fungera korrekt utan chaperonen. Det proteinet, som kallas MAP1, finns över arter – från jäst och möss till växter och människor. Det betyder att fynden har relevans inte bara för växter utan också för hälsan hos människor, där zinkbrist leder till tillväxt och utvecklingsstörningar.

"Våra mål är hållbara bioenergigrödor, men eftersom proteinerna vi studerar finns nästan överallt, har vår forskning tillämpningar som är mycket breda," sa Blaby.

Spåra en upptäckt

Andra spårmetaller, som nickel och koppar, transporteras runt cellerna av chaperoner eftersom de kan vara giftiga. Ledsagarna förhindrar att de reaktiva metallerna engagerar sig i "oönskade associationer". Reaktioner mellan vissa spårmetaller och syre genererar fria radikaler som är skadliga för celler. Men zink verkar inte ha en benägenhet för sådana farliga förbindelser.

"Zink är en relativt ofarlig metalljon. Eftersom den inte reagerar med syre för att skapa reaktiva syrearter, tänkte vi att den kanske bara diffunderar för att komma dit den behöver gå utan behov av en följeslagare," sa Blaby. Men det hindrade inte forskarna från att leta efter en.

När Blaby var doktorand vid University of Florida i början av 2000-talet, arbetade hon med professor Valérie de Crécy-Lagard, som först förutspådde att medlemmar av en proteinfamilj kallad CobW var de saknade zinkförarna. "Min forskning som en del av den gruppen gav bevis för att om ett sådant existerar, så var det förmodligen ett protein i den här familjen. Men för att bevisa att det fungerar som en zinkförare behövde vi identifiera destinationen - proteinet det levererade zink till, " sa Blaby.

Många grupper arbetade med den utmaningen i flera år men kunde fortfarande inte hitta och bevisa den påstådda chaperons mål.

Datamining ger ledtrådar

Snabbspola framåt till när Blaby började bygga sin forskargrupp i Brookhaven 2016. När hon tog ut data om interaktioner mellan proteiner som hade deponerats i sökbara databaser under det senaste decenniet, fann hon bevis på en interaktion mellan ett protein i den påstådda zinkförbandsfamiljen och ett protein som kallas metioninaminopeptidas, eller MAP1. Och hon hittade interaktionen i både jäst och människor.

"När du ser en sådan bevarad proteininteraktion, i väldigt olika organismer, betyder det vanligtvis att det är viktigt," sa Blaby.

MAP1, visar det sig, modifierar många proteiner i cellen – över nästan alla arter. Om MAP1 inte fungerar har omodifierade proteiner problem. Och MAP1 är beroende av zink för att fungera.

"Delarna började gå ihop", sa Blaby. "Sedan började det riktiga roliga - som var att testa vår mycket specifika hypotes:att detta protein som vi har kommit att kalla ZNG1 (uttalas zing 1) är den chaperon som levererar zink till MAP1."

Blaby arbetade med Brookhaven postdocs Miriam Pasquini och Nicolas Grosjean, som designade och körde en serie experiment för att spika fallet. De två delar första författarskap på tidningen.

"Det här var ett riktigt bra team att sammanföra för att göra både in vivo och in vitro arbete som krävs för att äntligen tillhandahålla experimentella bevis för funktionen hos dessa proteiner," sa Blaby.

Bevis finns i kolven

Först, med hjälp av snabbväxande jästceller, slog Grosjean ut genen som talar om för celler hur man gör ZNG1. Om detta protein är ledsagaren som levererar zink till MAP1, borde MAP1 inte fungera korrekt i knockoutcellerna.

Och när zink saknas i miljön bör defekten i MAP1-funktionen förvärras.

"När många proteiner tävlar om begränsad zink, är det en situation där, om det finns en följeslagare, kan det hjälpa att välja vilket av de många zinkberoende proteinerna som ska få denna värdefulla resurs," förklarade Grosjean. Med andra ord, när zink är begränsat bör chaperonens frånvaro märkas mer.

Resultaten kom ut precis som förväntat:Celler utan genen för ZNG1 hade defekter i MAP1-aktivitet, och nivån av defekt ökade i lågzinkmiljön.

Därefter ledde Pasquini ett projekt för att rena de två proteinerna - ZNG1 och MAP1 - isolerat. Först visade hon att när ingen zink är närvarande, som förväntat, fungerar inte MAP1 i sig självt.

Sedan blandade hon MAP1 med ZNG1 som hade laddats med zink. Men återigen, det fanns ingen MAP1-aktivitet. Forskarna resonerade att något annat måste saknas.

Genom en serie experiment visade de att ZNG1 måste aktiveras för att leverera sin zinklast. Den aktiveringen kommer från en energimolekyl som kallas GTP.

"Vad vi tror händer är att chaperonen binder GTP och har en viss konformation eller form," sa Pasquini. "När den frigör energin från GTP ändrar den form. Vi tror att konformationsförändring kan vara viktig för att binda och frigöra zink."

När Pasquini lade till GTP till blandningen av zinkbelastade ZNG1 och MAP1, observerade hon äntligen MAP1-aktivitet.

"Det är först efter att du har lagt till energimolekylen som du ser tecken på att zink överförs till MAP1", sa hon.

Tillsammans gav dessa experiment bevis för att det länge misstänkta proteinet som nu är känt som ZNG1 fungerar som en chaperon för att leverera zink till MAP1.

Konsekvenser i större skala

Teamet samarbetade också med forskare i Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science-användaranläggning vid Pacific Northwest National Laboratory, i större "proteomics"-experiment. Och de arbetade med Estella Yee på Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en annan DOE Office of Science-användaranläggning, med beräkningsmodelleringsstudier för att förstå proteinkomplexet som bildas mellan zinkförbandet och MAP1.

"Vår in vivo och in vitro experiment tittade på bara ett par spelare. Vad proteomik tillät oss att göra var att se hur borttagning av zinktransferasgenen påverkar alla proteinerna – och studera vilken inverkan de spelarna har på resten av cellen och organismen," sa Blaby.

En av de största effekterna är att cellerna inte längre kan anpassa sig till låga nivåer av zink.

"Celler har utvecklats så att när zinkkoncentrationerna blir för låga, aktiveras en grupp gener för att svara på denna förändring av omständigheterna. Men när du blir av med ZNG1 förblir många av dessa gener avstängda," sa Blaby.

"Vi bygger nu på detta grundläggande arbete som slutförts i den snabbväxande jästmodellorganismen för att förstå hur dessa proteiner och deras funktioner bevaras i bioenergigrödor," sa Blaby. "Detta arbete belyser en tidigare okänd strategi som växter använder för att frodas när zink är begränsande i jorden. Att förstå sådana strategier kan hjälpa oss att hitta sätt att optimera grödans produktivitet och uppnå miljömässigt hållbar bioenergi."

Pasquini tillade, "Möjligheten för växter att förvärva motståndskraft i jordar med låg zinkhalt betyder också att vi skulle kunna exploatera icke-odlingsbar mark för att odla bioenergigrödor, vilket lämnar bördiga jordar avsedda för andra jordbruksändamål. Att driva växtceller för att producera mer ZNG1 skulle möjligen möjliggöra överlägsen tillväxt på marginella marker som är utarmade på zink." + Utforska vidare

Studien identifierar den första cellulära "chaperonen" för zink