W jaki sposób bakterie umieszczają enzymy w nanometrowe „klatki”, aby efektywnie produkować witaminę B2? Mechanizm działania tego wyspecjalizowanego systemu biochemicznego odkryli naukowcy z międzynarodowego konsorcjum badawczego kierowanego przez dr. hab. Yusuke Azumę z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego.
W centrum odkrycia znajduje się enzymatyczna klatka, w której powstaje witamina B2 (ryboflawina). Podczas gdy ludzie i zwierzęta muszą pozyskiwać ten związek z pożywienia, na przykład z grzybów szczególnie bogatych w witaminę B2, bakterie, rośliny i grzyby potrafią syntetyzować ją samodzielnie. Mechanizm umieszczania enzymów w białkową klatkę nie jest jednak powszechny i występuje jedynie u niektórych bakterii, co czyni go szczególnie interesującym z punktu widzenia ewolucji. W przeciwieństwie do komórek eukariotycznych, bakterie nie posiadają organelli otoczonych błoną, dlatego wykorzystują białka do organizacji procesów biochemicznych w przestrzeni komórki. Taka organizacja enzymów umożliwia wydajną biosyntezę witaminy w złożonym środowisku komórkowym.
Przełomowe odkrycie: „otwarte” klatki
Układ komórkowy odpowiedzialny za biosyntezę witaminy B2 został po raz pierwszy zidentyfikowany w bakterii glebowej w latach osiemdziesiątych XX wieku. Enzym syntaza lumazyny tworzy pustą, klatkową strukturę, która zamyka w swoim wnętrzu drugi enzym, syntezę ryboflawiny. Od tego czasu naukowcy próbowali zrozumieć, jak powstaje ten układ, jednak standardowe metody, takie jak krystalografia rentgenowska, zawodziły.
Przez lata wiedzieliśmy, że ten system istnieje, ale nie rozumieliśmy, jak działa. To było jak patrzenie na zamkniętą klatkę, ale bez klucza aby ją otworzyć – przyznaje dr Łukasz Koziej z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Przełom nastąpił, gdy badacze skupili się nie na końcowych sferycznych strukturach, lecz na ich niedojrzałych formach pośrednich. Wykorzystując zaawansowaną mikroskopię elektronową w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS w Krakowie, uchwycili „otwarte” klatki. To właśnie one ujawniły mechanizm transportu cargo enzymów do wnętrza, który różni się od znanych wcześniej rozwiązań wykorzystywanych przez różne komórki. Zamiast wiązać się z powierzchnią wewnętrzną klatki, enzymy kotwiczą się w miejscach łączenia elementów budujących klatkę. Utrzymują ją częściowo otwartą do momentu zgromadzenia odpowiedniej liczby enzymów. Następnie molekularny „zamek” zatrzaskuje ostatni element klatki, zamykając cargo wewnątrz.
Odkrycie ujawnia zaawansowany mechanizm kontroli liczby i proporcji enzymów w biologicznej nanofabryce. Ma ono znaczenie nie tylko dla zrozumienia procesów zachodzących w naturze, lecz także dla przyszłych zastosowań technologicznych.
Ten system pokazuje niezwykłą precyzję, z jaką organizowane są procesy chemiczne na poziomie molekularnym. Możemy wykorzystać te zasady jako wzorzec do projektowania biomimetycznych nanoreaktorów służących do produkcji leków i innych cennych związków – mówi dr hab. Yusuke Azuma z MCB UJ.
Badania zostały przeprowadzone we współpracy z naukowcami z Helsinki Institute of Life Science HiLIFE, Uniwersytetu Helsińskiego w Finlandii oraz Instytutu Nauk Molekularnych przy Narodowym Instytucie Nauk Przyrodniczych (NINS) w Japonii. Wyniki zostały opublikowane w „Nature Communications”.
MK, źródło: UJ