SciTechDaily

ניקולס

חלבונים חוששי סוכר: פריצת דרך פוטנציאלית עבור דלק ביולוגי בר קיימא

מחקר שנערך לאחרונה על ידי המעבדה הלאומית ברוקהייבן חוקר כיצד חלבונים צמחיים מגיבים לרמות הסוכר. המחקר מגלה שהקשירה של מולקולת הפרוקסי של הסוכר לחלבון KIN10 משפיעה על צמיחת צמחים וייצור שמן. תובנה זו עשויה להוביל לשינויים גנטיים בצמחים כדי לשפר את תפוקת הנפט עבור דלק ביולוגי. קרדיט: twoday.co.il

מחקר חדש מראה כיצד רמות הסוכר משפיעות על גידול צמחים וייצור שמן באמצעות החלבון KIN10, המציע פוטנציאל להתקדמות בייצור דלק ביולוגי.

חלבונים מתפקדים כמכונות מולקולריות, מצוידות ברכיבים גמישים ובחלקים נעים. השגת תובנה לגבי תנועות אלו היא חיונית עבור מדענים שכן היא עוזרת להם להבין את התפקיד שחלבון ממלא באורגניזמים, והיא עשויה גם להנחות אותם בשינוי השפעותיו. צוות של ביוכימאים מהמעבדה הלאומית ברוקהייבן של משרד האנרגיה האמריקני ומהמעבדה הלאומית של צפון-מערב האוקיינוס ​​השקט סיפקו תובנות חדשות לגבי המנגנונים של מכונות מולקולריות אלו בתוך צמחים.

במחקר האחרון שלהם, שפורסם ב התקדמות המדעהחוקרים מתמקדים כיצד תנועותיו של חלבון ספציפי המרגיש סוכר קובעות אם צמחים גדלים ומייצרים מוצרים עתירי אנרגיה, כגון שמן, או אם הם עוסקים באמצעים שמרניים.

אינטראקציה חלבון KIN10

תמונה זו מציגה חלבון צמחי המכונה KIN10 (צהוב) הפועל כחיישן ומתג לכיבוי או הדלקה של ייצור שמן, תלוי אם הוא יוצר אינטראקציה עם חלבון אחר (ירוק). קרדיט: המעבדה הלאומית ברוקהייבן

נחשפו מנגנונים מולקולריים

ג'נטנה בלנפורד, ביוכימאית במעבדת ברוקהייבן והמחברת הראשית של המחקר, מסבירה, "מאמר זה חושף את המנגנון המפורט שבאמצעותו תאי צמחים מקבלים מידע על זמינות סוכר גבוהה, ומשפיעים על מסלולים ביוכימיים המקלים על גידול צמחים וייצור שמן."

המחקר מרחיב על עבודה קודמת של הצוות של ברוקהייבן שחשף קשרים מולקולריים בין רמות סוכר לייצור שמן בצמחים. אחת המטרות הפוטנציאליות של מחקר זה היא לזהות חלבונים ספציפיים ומרכיביהם שמדענים יכולים להנדס כדי לגרום לצמחים לייצר מוצרים עתירי אנרגיה, כגון נפט.

"הזיהוי המדויק של האינטראקציה בין המולקולות והחלבונים הללו, כפי שעושה מחקר חדש זה, מקרב אותנו לזהות כיצד נוכל להנדס את החלבונים הללו כדי להגביר את ייצור השמן הצומח", אמר ג'ון שנקלין, מחבר ראשי ויו"ר המחלקה לביולוגיה של מעבדת ברוקהייבן.


אנימציה זו מראה כיצד לולאה גמישה (כתומה) על חלבון צמחי המכונה KIN10 (צהוב) מאפשרת לו ליצור אינטראקציה עם חלבון אחר (ירוק) – אך רק כאשר רמות הסוכר נמוכות. האינטראקציה של שני החלבונים מעוררת מפל של תגובות המפרקות חלבונים אחרים המעורבים בסינתזת שמן כדי שהצמח יוכל לשמור על משאביו. כאשר רמות הסוכר גבוהות, כלומר לצמח יש משאבים בשפע, מולקולת סוכר-פרוקסי חוסמת את תנועת התנופה של הלולאה. זה מונע את אינטראקציית החלבון, מה ששומר על מסלול ייצור השמן פתוח. קרדיט: המעבדה הלאומית ברוקהייבן

מחקר חדש על אינטראקציות חלבון

הצוות השתמש בשילוב של ניסויי מעבדה ומודלים חישוביים כדי לאפס כיצד המולקולה המשמשת כפרוקסי סוכר נקשרת ל"קינאז חיישן" המכונה KIN10. KIN10 הוא החלבון המכיל את החלקים הנעים שקובעים אילו מסלולים ביוכימיים מופעלים או כבויים.

המדענים כבר ידעו ש-KIN10 פועל גם כחיישן סוכר וגם כמתג: כאשר רמות הסוכר נמוכות, KIN10 יוצר אינטראקציה עם חלבון אחר כדי להפעיל מפל של תגובות שבסופו של דבר משביתות את ייצור הנפט ומפרקות מולקולות עשירות באנרגיה כמו שמן עמילן לייצור אנרגיה המניעה את התא. אבל כאשר רמות הסוכר גבוהות, פונקציית הכיבוי של KIN10 מושבתת – כלומר צמחים יכולים לגדול וליצור הרבה שמן ומוצרים אחרים עם אנרגיה בשפע.

מסלולי אינטראקציה בין חלבונים סכמטיים

דיאגרמה זו מציגה את שני המסלולים KIN10 וחלבון סמוך, GRIK1, עוקבים אחר תנאי הסוכר הנמוכים והגבוהים. סוכר נמוך מאפשר הוספת פוספט (P) ל-KIN10, מה שמעורר מפל זרחון שמוביל לפירוק של אנזימים המעורבים בסינתזת שמן. זה כולל השפלה של WRI1, המתג הראשי לסינתזת שמן. עם זאת, כאשר סוכר נמצא בשפע, מולקולת סוכר-פרוקסי (T6P) נקשרת ללולאת KIN10 כדי לחסום את האינטראקציה שלה עם GRIK1. זה שומר על מסלול סינתזת השמן פתוח. קרדיט: המעבדה הלאומית ברוקהייבן

כדי לזהות כיצד כריכת הסוכר פרוקסי ל-KIN10 הופכת את המתג, בלנפורד התחיל עם הפתגם "הפכים מושכים". היא זיהתה שלושה חלקים טעונים חיובית של KIN10 שעשויים להימשך למטענים שליליים בשפע על מולקולת הסוכר פרוקסי. תהליך חיסול מבוסס מעבדה שכלל יצירת וריאציות של KIN10 עם שינויים באתרים אלה זיהה את אתר הקישור האמיתי היחיד.

ואז צוות ברוקהייבן פנה לעמיתים לחישובים ב-PNNL. מרסל בר וסימון ראוג'י ב-PNNL בחנו ברמה האטומית כיצד פרוקסי הסוכר ו-KIN10 משתלבים זה בזה. "על ידי שימוש במודלים רב-קנה מידה ראינו שהחלבון יכול להתקיים במספר קונפורמציות אבל רק אחד מהם יכול לקשור ביעילות את פרוקסי הסוכר", אמר באר.

סימולציות PNNL מזוהות מפתח חומצות אמינו בתוך החלבון השולט על קשירת הסוכר. תובנות חישוביות אלו אושרו לאחר מכן בניסוי.

הגוף המשולב של מידע ניסיוני וחישובי עזר למדענים להבין כיצד אינטראקציה עם פרוקסי הסוכר משפיעה ישירות על הפעולה במורד הזרם של KIN10.

ג'נטנה בלנפורד, ז'יאנג ז'אי, הוי לי, קון ליו וג'ון שנקלין

חברי מעבדת ברוקהייבן בצוות המחקר: Jantana Blanford, Zhiyang Zhai, Hui Li, Qun Liu וג'ון שנקלין (לא מוצג: Gongrui Guo). קרדיט: המעבדה הלאומית ברוקהייבן

תפקיד הגמישות בתפקוד החלבון

"ניתוחים נוספים הראו שכל מולקולת KIN10 קשיחה למעט לולאה גמישה אחת ארוכה", אמר שנקלין. המודלים גם הראו שהגמישות של הלולאה היא מה שמאפשר ל-KIN10 לקיים אינטראקציה עם חלבון מפעיל כדי לעורר את מפל התגובות שבסופו של דבר משביתות את ייצור הנפט ואת צמיחת הצמחים.

מרסל בר וסימון ראוג'י

מחברי המעבדה הלאומית של פסיפיק צפון מערב, מרסל בר וסימון ראוגיי. קרדיט: Pacific Northwest National Laboratory

כאשר רמות הסוכר נמוכות, וקיימת מעט מולקולת פרוקסי סוכר, הלולאה נשארת גמישה, ומנגנון הכיבוי יכול לפעול כדי להפחית את צמיחת הצמחים וייצור שמן. זה הגיוני לשמר משאבים יקרים, אמר שנקלין. עם זאת, כאשר רמות הסוכר גבוהות, פרוקסי הסוכר נקשר בחוזקה ל-KIN10.

"החישובים מראים כיצד המולקולה הקטנה הזו חוסמת את הלולאה מלהסתובב ומונעת ממנה להפעיל את מפל הכיבוי", אמר בלנפורד.

"נוכל להשתמש בידע החדש שלנו כדי לעצב KIN10 עם חוזק כריכה שונה עבור פרוקסי הסוכר כדי לשנות את נקודת ההגדרה שבה צמחים מייצרים דברים כמו שמן ומפרקים דברים", אמר שנקלין. ידע זה יכול להוביל לייצור יעיל יותר של דלק ביולוגי ומוצרים אחרים המבוססים על נפט.

עבודה זו נתמכה על ידי משרד המדע DOE (BES). זמן המחשב סופק על ידי המרכז הלאומי למחשוב מדעי לחקר האנרגיה (NERSC) במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי ומתקן המחשוב למדעי המולקולאריים (MSCF) במעבדה למדעי מולקולריים סביבתיים במעבדה הלאומית של צפון מערב פסיפיק. NERSC ו-MSCF הם מתקני משתמש של משרד DOE of Science.

ניקולס