Estudo revela como uma proteína sensível ao açúcar atua como uma máquina para ligar e desligar o crescimento das plantas - e a produção de petróleo
Esta imagem mostra uma proteína vegetal conhecida como KIN10 (amarelo) que atua como um sensor e um interruptor para desligar ou ligar a produção de petróleo dependendo se ele interage com outra proteína (verde). Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven As proteínas são máquinas moleculares, com peças flexíveis e partes móveis. Compreender como estas partes se movem ajuda os cientistas a desvendar a função que uma proteína desempenha nos seres vivos – e potencialmente como alterar os seus efeitos. Bioquímicos do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e colegas do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do DOE publicaram um novo exemplo de como funciona uma dessas máquinas moleculares.
Seu artigo na revista Science Advances descreve como as partes móveis de uma proteína vegetal específica controlam se as plantas podem crescer e produzir produtos com uso intensivo de energia, como o petróleo - ou, em vez disso, implementar uma série de etapas para conservar recursos preciosos. O estudo concentra-se especificamente em como a maquinaria molecular é regulada por uma molécula que sobe e desce com o nível de açúcar – principal fonte de energia das plantas.
"Este artigo revela o mecanismo detalhado que diz às células vegetais, 'temos muito açúcar', e como essa sinalização afeta as vias bioquímicas que desencadeiam processos como o crescimento das plantas e a produção de petróleo", disse Jantana Blanford, bioquímica do Brookhaven Lab, líder do estudo. autor.
O estudo baseia-se em trabalhos anteriores da equipe de Brookhaven, que descobriu ligações moleculares entre os níveis de açúcar e a produção de petróleo nas plantas. Um objetivo potencial desta pesquisa é identificar proteínas específicas – e partes de proteínas – que os cientistas podem projetar para produzir plantas que produzam mais petróleo para uso como biocombustíveis ou outros produtos à base de petróleo.
“Identificar exatamente como essas moléculas e proteínas interagem, como faz este novo estudo, nos aproxima da identificação de como podemos projetar essas proteínas para aumentar a produção de óleo vegetal”, disse John Shanklin, presidente do Departamento de Biologia do Laboratório Brookhaven e líder da equipe de pesquisa. .
Desvendando interações moleculares
A equipe usou uma combinação de experimentos de laboratório e modelagem computacional para descobrir como a molécula que serve como proxy do açúcar se liga a um “sensor quinase” conhecido como KIN10.
KIN10 é a proteína que contém as partes móveis que determinam quais vias bioquímicas estão ativadas ou desativadas. Os cientistas já sabiam que o KIN10 atua tanto como um sensor de açúcar quanto como um interruptor:quando os níveis de açúcar estão baixos, o KIN10 interage com outra proteína para desencadear uma cascata de reações que, em última análise, interrompem a produção de petróleo e quebram moléculas ricas em energia, como o petróleo e o açúcar. amido para produzir energia que alimenta a célula.
Mas quando os níveis de açúcar estão elevados, a função de encerramento do KIN10 é desligada – o que significa que as plantas podem crescer e produzir muito petróleo e outros produtos com a energia abundante.
Mas como a ligação do proxy sugar ao KIN10 muda a chave? Este diagrama mostra as duas vias que KIN10 e uma proteína adjacente, GRIK1, seguem nas condições de baixo e alto teor de açúcar. O baixo teor de açúcar permite a adição de um fosfato (P) ao KIN10, o que desencadeia uma cascata de fosforilação que leva à quebra de enzimas envolvidas na síntese do óleo. Isto inclui a degradação do WRI1, o interruptor mestre para a síntese de óleo. Quando o açúcar é abundante, no entanto, uma molécula proxy de açúcar (T6P) liga-se à alça KIN10 para bloquear sua interação com GRIK1. Isso mantém aberta a via de síntese do óleo. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven Para descobrir, Blanford começou com o ditado “os opostos se atraem”. Ela identificou três partes carregadas positivamente do KIN10 que podem ser atraídas por cargas negativas abundantes na molécula proxy do açúcar. Um processo de eliminação baseado em laboratório que envolveu variações do KIN10 com modificações nesses locais identificou o único local de ligação verdadeiro.
Então a equipe de Brookhaven recorreu a colegas computacionais do PNNL.
Marcel Baer e Simone Raugei, do PNNL, examinaram no nível atômico como o proxy do açúcar e o KIN10 se encaixam.
"Ao usar modelagem multiescala, observamos que a proteína pode existir em múltiplas conformações, mas apenas uma delas pode ligar-se efetivamente ao substituto do açúcar", disse Baer.
As simulações do PNNL identificaram aminoácidos essenciais na proteína que controlam a ligação do açúcar. Esses insights computacionais foram então confirmados experimentalmente.
O conjunto combinado de informações experimentais e computacionais ajudou os cientistas a entender como a interação com o substituto do açúcar afeta diretamente a ação a jusante do KIN10.
Ativando o interruptor
"Análises adicionais mostraram que toda a molécula KIN10 é rígida, exceto por uma longa alça flexível", disse Shanklin. Os modelos também mostraram que a flexibilidade do ciclo é o que permite ao KIN10 interagir com uma proteína ativadora para desencadear a cascata de reações que, em última análise, interrompem a produção de petróleo e o crescimento das plantas.
Quando os níveis de açúcar estão baixos e há pouca molécula proxy de açúcar presente, o ciclo permanece flexível e o mecanismo de desligamento pode operar para reduzir o crescimento das plantas e a produção de petróleo. Faz sentido conservar recursos preciosos, disse Shanklin.
