Newswise — УПТОН, Нью-Йорк — Белки — это молекулярные машины с гибкими деталями и движущимися частями. Понимание того, как движутся эти части, помогает ученым понять, какую функцию белок играет в живых существах, и, возможно, как изменить его воздействие. Биохимики из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и коллеги из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США только что опубликовали новый пример того, как работает одна такая молекулярная машина.

Их статья в журнале Достижения науки описывает, как движущиеся части определенного растительного белка контролируют, могут ли растения расти и производить энергоемкие продукты, такие как нефть, или вместо этого предпринимают ряд шагов для сохранения драгоценных ресурсов. В исследовании особое внимание уделяется тому, как молекулярный механизм регулируется молекулой, которая поднимается и падает в зависимости от уровня сахара — основного источника энергии растений.

«Эта статья раскрывает подробный механизм, который сообщает растительным клеткам: «У нас много сахара», а затем то, как эта передача сигналов влияет на биохимические пути, которые запускают такие процессы, как рост растений и выработка масла», — сказала биохимик Брукхейвенской лаборатории Джантана Бланфорд, руководитель исследования. автор.

Исследование основано на более ранней работе команды из Брукхейвена, которая выявила молекулярные связи между уровнем сахара и выработкой масла в растениях. Одной из потенциальных целей этого исследования является выявление конкретных белков (и частей белков), которые ученые могут спроектировать, чтобы создать растения, производящие больше нефти для использования в качестве биотоплива или других продуктов на основе нефти.

«Точное определение того, как взаимодействуют эти молекулы и белки, как это делает это новое исследование, приближает нас к определению того, как мы могли бы сконструировать эти белки для увеличения производства растительного масла», — сказал Джон Шанклин, председатель биологического отдела Брукхейвенской лаборатории и руководитель исследовательской группы. .

Распутывание молекулярных взаимодействий

Команда использовала комбинацию лабораторных экспериментов и компьютерного моделирования, чтобы сосредоточиться на том, как молекула, служащая прокси-сахаром, связывается с «сенсорной киназой», известной как KIN10. KIN10 — это белок, содержащий движущиеся части, которые определяют, какие биохимические пути включены или выключены.

Ученые уже знали, что KIN10 действует как датчик сахара и переключатель: когда уровень сахара низкий, KIN10 взаимодействует с другим белком, запуская каскад реакций, которые в конечном итоге прекращают добычу масла и разрушают богатые энергией молекулы, такие как масло и крахмал для производства энергии, питающей клетку. Но когда уровень сахара высок, функция отключения KIN10 отключается, а это означает, что растения могут расти и производить много масла и других продуктов с избытком энергии.

Но как привязка сахарного прокси к KIN10 переворачивает переключатель?

Чтобы выяснить это, Блэнфорд начал с пословицы «противоположности притягиваются». Она определила три положительно заряженные части KIN10, которые могут притягиваться к обильным отрицательным зарядам на молекуле-прокси-сахаре. Лабораторный процесс элиминации, который включал создание вариаций KIN10 с модификациями этих сайтов, выявил один истинный сайт связывания.

Затем команда Брукхейвена обратилась к коллегам-вычислителям из PNNL.

Марсель Баер и Симона Раужей из PNNL исследовали на атомном уровне, как взаимодействуют сахарный прокси и KIN10.

«С помощью многомасштабного моделирования мы обнаружили, что белок может существовать в нескольких конформациях, но только одна из них может эффективно связывать сахарный прокси», — сказал Баер.

Моделирование PNNL выявило в белке ключевые аминокислоты, которые контролируют связывание сахара. Эти вычислительные выводы были затем подтверждены экспериментально.

Объединенный массив экспериментальной и вычислительной информации помог ученым понять, как взаимодействие с сахарным прокси напрямую влияет на последующее действие KIN10.

Переключение выключателя

«Дополнительные анализы показали, что вся молекула KIN10 является жесткой, за исключением одной длинной гибкой петли», — сказал Шанклин. Модели также показали, что именно гибкость петли позволяет KIN10 взаимодействовать с белком-активатором, запуская каскад реакций, которые в конечном итоге прекращают добычу масла и рост растений.

Когда уровень сахара низкий и присутствует мало молекул-заместителей сахара, петля остается гибкой, и механизм отключения может сработать, чтобы уменьшить рост растений и производство масла. Это имеет смысл для сохранения драгоценных ресурсов, сказал Шанклин.

Но когда уровень сахара высок, прокси-сахар прочно связывается с KIN10.

«Расчеты показывают, как эта маленькая молекула блокирует раскачивание петли и не дает ей запустить каскад отключения», — сказал Бланфорд.

Опять же, это имеет смысл, поскольку растениям доступно большое количество сахара для производства масла.

Теперь, когда у учёных есть эта подробная информация, как они могут её использовать?

«Потенциально мы могли бы использовать наши новые знания для разработки KIN10 с измененной силой связывания сахарного прокси, чтобы изменить заданную точку, при которой растения производят такие вещества, как масло, и расщепляют их», — сказал Шанклин.

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США (BES). Компьютерное время было предоставлено Национальным научно-вычислительным центром энергетических исследований (NERSC) Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Вычислительным центром молекулярных наук (MSCF) в Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. NERSC и MSCF являются объектами пользователей Управления науки Министерства энергетики США.

Брукхейвенская национальная лаборатория поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США. Управление науки является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите сайт science.energy.gov.

Следите за @BrookhavenLab в социальных сетях. Найдите нас в Instagram, LinkedIn, Икси Facebook.

Ссылки по теме