Människor får i allmänhet i sig de flesta av sina nödvändiga fettsyror genom kosten. Ändå är fettsyrabiosyntesen en viktig metabolisk väg. För jästsvampar och bakterier är den till och med oumbärlig.
Stora, multimera komplex av olika enzymer katalyserar fettsyrabiosyntesen i jästsvampar och högre organismer, medan de bakteriella motsvarigheterna representeras av individuella proteiner. Även om arkitekturen för det biosyntetiska maskineriet för fettsyror varierar avsevärt i olika organismer, liknar de katalyserade reaktionerna och individuella enzymatiska moduler varandra.
Max Planck-teamen ledda av Holger Stark, chef för Institutionen för strukturdynamik, och Ashwin Chari, chef för forskningsgruppen Structural Biochemistry and Mechanisms, har nu löst den tredimensionella strukturen av jäst FAS, för första gången vid en oöverträffad upplösning:1,9 ångström, 19 miljoner gånger mindre än en millimeter.
"Inom strukturell biologi är det viktigt att överträffa tvåångströmsbarriären för att förstå cellkemi", förklarar Max Planck-direktören. "Vi avslöjar de innersta delarna av FAS och kan observera både enzymatiska reaktioner och kemiska detaljer om hur proteiner interagerar med små molekyler."
Kombinationen av biokemi och högupplöst kryo-elektronmikroskopi var avgörande för Göttingen-forskarnas framgång. För sina experiment använde de världens högst upplösta elektronmikroskop som har förmågan att lösa upp enskilda atomer i ett protein.
Att enbart visualisera FAS med hög precision är dock inte tillräckligt för att förstå dess funktion. I likhet med sin mänskliga motsvarighet syntetiserar svamp FAS fettsyror i sju individuella reaktionssteg genom att använda definierade kemiska prekursorer på ett cykliskt, repetitivt sätt. Varje enskilt kemiskt steg utförs av en separat enzymmodul inom FAS.
Den växande fettsyrakedjan måste därför transporteras från den ena enzymmodulen till den andra i en effektiv och ordnad sekvens. En molekylär skyttel – det så kallade acylbärarproteinet (ACP) – utför denna viktiga uppgift och orkestrerar koreografin av kemiska reaktioner som krävs för fettsyrabiosyntes.
Observera den molekylära skytteln i aktion
Stark och Charis team kunde också filma FAS i aktion och rekonstruera en komplett fettsyrabiosyntescykel. För detta använde forskarna en kombination av metoder för att följa AVS på väg genom FAS-labyrinten. Inledningsvis initierade de fettsyrabiosyntes i ett provrör och stoppade dess aktivitet genom att snabbt frysa FAS-molekylerna efter olika tidsperioder. Detta gjorde det möjligt att stoppa FAS i distinkta tillstånd av fettsyrabiosyntes.
Kryo-elektronmikroskopet avbildade sedan ögonblicksbilder i FAS-cykeln. "Att hitta den exakta kombinationen och mängden substrat för att stoppa FAS vid kritiska punkter i produktionscykeln var en stor teknisk utmaning", säger forskargruppsledaren Chari. "Vi kan bara rekonstruera hela fettsyrabiosyntescykeln om alla relevanta övergångar visualiseras och exakt beskrivs av modeller."
Nästa steg var den datorstödda förklaringen av de tredimensionella FAS-strukturerna.
Kashish Singh, första författare till tidningen som nu publicerats i tidskriften Cell , förklarar det komplexa förfarandet, "Vi utvecklade bildbehandlingsprocedurer som bryter ner FAS i individuella funktionella fack. Vi sorterade sedan strukturerna på ett sätt så att sekvensen av bilder representerar en fettsyrabiosyntescykel. Med hjälp av dessa ögonblicksbilder blev vi äntligen kunna spåra hur den lilla ACP-molekylen interagerar med vissa platser av FAS och andra molekyler under fettsyraproduktion."
Meina Neumann-Schaal, avdelningschef vid Leibniz Institute German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH, rapporterar att denna molekyl också är medicinskt relevant, "ACP av jäst FAS innehåller en strukturell region som den mänskliga motsvarigheten saknar."
Detta gör molekylen till en lovande utgångspunkt för att hämma patogena organismer som också utnyttjar det jästliknande FAS. Dessa inkluderar patogen jäst som Candida albicans, som infekterar slemhinnor, samt mykobakterier, det smittämne som ligger bakom tuberkulos. Eftersom multiresistent tuberkulos fortfarande utgör en utmaning för framgångsrik behandling, finns det ett akut behov av nya inhibitorer.
Ett annat resultat av forskningen skulle potentiellt kunna användas för biotekniska framsteg. Chari och Starks team har tillhandahållit bevis på att ytterligare enzymatiska moduler kan införlivas i FAS för att ändra dess aktivitet. "Med normal aktivitet levererar FAS en blandning av kort- och långkedjiga fettsyror. I framtiden kan ett anpassat FAS användas för att producera fettsyror med önskad kedjelängd", säger Chari.
Dessa behövs inom den kemiska industrin för att tillverka bland annat kosmetika, tvål och smakämnen. Noterbart är dessa också byggstenar för läkemedel och biobränslen. Forskarteamen från Göttingen ser också en möjlighet att producera fettsyror på ett hållbart sätt genom att använda specifikt modifierade FAS biosyntetiska fabriker, istället för att utvinna dem från råolja eller palmolja som nu är fallet.
Mer information: Kashish Singh et al, Rekonstruktion av en fettsyrasyntescykel från acylbärarprotein och kofaktorstrukturella ögonblicksbilder, Cell (2023). DOI:10.1016/j.cell.2023.10.009
Journalinformation: Cell
Tillhandahålls av Max Planck Society
