دانشمندان ساختار سطح اتمی یک پروتئین ناقل روی را تعیین می کنند

دانشمندان آزمایشگاه ملی بروکهاون (DOE) وزارت انرژی ایالات متحده، ساختار سطح اتمی یک پروتئین ناقل روی را تعیین کرده اند، یک ماشین مولکولی که سطوح این ریز مغذی فلزی بسیار مهم را در داخل سلول ها تنظیم می کند. همانطور که در مقاله‌ای که به تازگی در Nature Communications منتشر شده است، این ساختار نشان می‌دهد که چگونه پروتئین غشای سلولی شکل خود را تغییر می‌دهد تا روی را از محیط به داخل سلول منتقل کند و زمانی که سطح روی در داخل سلول بیش از حد بالا می‌رود، موقتاً این عمل را بطور خودکار مسدود می‌کند.

Qun Liu، بیوفیزیکدان آزمایشگاه Brookhaven که این پروژه را رهبری می کرد، گفت: «روی برای بسیاری از فعالیت های بیولوژیکی مهم است، اما مقدار بیش از حد آن می تواند مشکل ساز باشد. “در طول تکامل، ارگانیسم های مختلف به روش های مختلفی برای تنظیم روی تکامل یافته اند. اما هیچ کس نشان نداده است که یک ناقل که جذب روی از محیط را کنترل می کند، می تواند فعالیت خود را تنظیم کند. مطالعه ما اولین مطالعه ای است که یک ناقل روی را با چنین چیزی نشان می دهد. یک سنسور داخلی.”

این تحقیق به عنوان بخشی از طرح علوم کمی گیاهی (QPSI) آزمایشگاه بروکهاون انجام شد. دانشمندان با استفاده از یک نسخه باکتریایی از یک ناقل روی که ویژگی های اساسی با ناقلان روی در گیاهان مشترک دارد، به بینش های کلیدی در مورد نحوه عملکرد این پروتئین ها دست یافتند.

جان رئیس بخش زیست شناسی آزمایشگاه Brookhaven گفت: “این تحقیق بخشی از تلاش ما برای درک چگونگی جذب ریز مغذی هایی مانند روی توسط گیاهان است تا بتوانیم نحوه طراحی گیاهانی را طراحی کنیم که قادر به رشد در زمین های حاشیه ای برای تولید انرژی زیستی هستند.” شانکلین، یکی از نویسندگان مقاله.

دانشمندان خاطرنشان کردند که این تحقیق همچنین می تواند راه هایی را برای مهندسی محصولات غذایی با محتوای روی افزایش یافته برای بهبود ارزش غذایی آنها پیشنهاد کند.

محاسبه Cryo-EM plus

برای حل ساختار پروتئین، تیم Brookhaven از میکروسکوپ کریو الکترونی (cryo-EM) در آزمایشگاه ساختار بیومولکولی (LBMS) استفاده کرد. با این روش، دانشمندان می توانند بسیاری از ترکیبات مختلف یک پروتئین را به جای یک شکل متبلور، نمونه برداری کنند. این مهم است زیرا، در طبیعت، پروتئین ها پویا هستند، نه ایستا. تکه های آنها در اطراف حرکت می کنند.

Cryo-EM برای تشکیل کریستال‌ها به پروتئین نیاز ندارد، بنابراین ما می‌توانیم مراحل دینامیکی را که ممکن است با استفاده از کریستالوگرافی اشعه ایکس، تکنیک دیگری برای مطالعه ساختارهای پروتئین، امکان‌پذیر نباشد، ثبت کنیم. در اصل، با کریو-EM، می‌توانیم فریم‌های بیشتری از «فیلم» بگیریم تا ساختاری به دست آوریم که برای درک عملکرد بیولوژیکی پروتئین بسیار مفید است.

کون لیو، بیوفیزیکدان، آزمایشگاه بروکهاون

دانشمندان برای مرتب کردن بسیاری از تغییرات در ساختار، به ابزارهای محاسباتی قدرتمندی نیاز دارند. اینها شامل رویکردهای هوش مصنوعی است که از یادگیری ماشینی استفاده می کنند، که برخی از آنها را لیو توسعه داده است. با استفاده از این الگوریتم‌ها، دانشمندان می‌توانند به‌طور نیمه خودکار میلیون‌ها تصویر cryo-EM را انتخاب و مرتب کنند تا گروه‌هایی از ساختارهای مشابه را بیابند. این روش به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به بالاترین وضوح ممکن دست یابند و در نتیجه جزئیات ساختار در مقیاس اتمی را آشکار کنند.

برای این مطالعه، این رویکرد cryo-EM ویژگی‌های کلیدی یک مرحله از یک انتقال‌دهنده روی ZIP (پروتئین شبیه Zrt-/Irt) را نشان داد که نشان می‌دهد چگونه فعالیت جذب روی خود را بسته به مقدار روی در حال حاضر در سلول تنظیم می‌کند. .

لیو می‌گوید: «داده‌های جدید ما باعث شد دیدگاه‌های قبلی در مورد نحوه عملکرد این پروتئین را اصلاح کنیم.

شیب برای ورود، احساس برای توقف

یک گزارش قبلی بر اساس کریستالوگرافی اشعه ایکس و تجزیه و تحلیل‌های تکاملی نشان داد که ناقل ممکن است به عنوان نوعی “بالابر” برای انتقال روی عمل کند. تحقیقات جدید نشان می‌دهد که چگونه فعل و انفعالات روی در دو طرف غشای سلولی باعث حرکت بخش‌هایی از پروتئین برای وارد کردن روی به سلول می‌شود و مهمتر از همه، هنگامی که سطوح داخل آن بیش از حد بالا می‌رود، مانع از ورود آن می‌شود.

لیو می‌گوید: «ساختار کلیدی ما نشان می‌دهد که وقتی سطح روی در داخل سلول به یک سطح معین افزایش می‌یابد – فراتر از آنچه برای برآوردن نیازهای سلول لازم است – روی اضافی به حلقه‌ای در داخل غشاء متصل می‌شود.» “سپس، همانطور که این حلقه انعطاف پذیر تغییر جهت می دهد، به سمت خود جمع می شود و به گونه ای متصل می شود که مانع از ورود روی به سلول می شود.”

شنکلین اضافه کرد: «تقریباً مانند این است که دوشاخه وارد فاضلاب وان حمام شده و آن را مسدود می کند.

دانشمندان همچنین بررسی کردند که چگونه سایر بخش‌های پروتئین حرکت می‌کنند تا روی وارد شود.

هنگامی که سطح روی در داخل سلول کم است، روی از قسمت حلقه می افتد و دوشاخه از انتقال دهنده خارج می شود. روی از محیط می تواند به داخل انتقال دهنده حرکت کند. در داخل ناقل، روی باعث می شود که بخشی از ماشین پروتئین به سمت بالا حرکت کند و کج شود و خروجی به محیط خارجی بسته شود. هنگامی که روی به داخل سلول حرکت می کند، دستگاه خود را دوباره تنظیم می کند تا دوباره کار کند.

لیو گفت: “ساختار cryo-EM ما اولین چیزی است که نشان می دهد چگونه این دامنه حلقه پروتئین فعالیت ناقل را با بازخورد بسته به سطح روی تعدیل می کند.”

همچنین اولین ساختاری است که نشان می‌دهد این ناقل روی آرایشی از دو پروتئین یکسان است که به نام دایمر شناخته می‌شود. لیو گفت: «برای انجام کار به دو مولکول نیاز است.

دانشمندان فکر می‌کنند که داشتن دو مولکول که به شکل یک دایمر عمل می‌کنند ممکن است به عملکرد یا پایداری آن مرتبط باشد، که آنها با شبیه‌سازی‌های محاسباتی آینده چگونگی کار مولکول‌ها با هم را بررسی خواهند کرد.

لیو گفت: «این تحقیق می‌تواند روش‌های جدیدی را برای مهندسی ناقل‌های روی در میکروب‌ها و گیاهان برای بهینه‌سازی رشد آنها در شرایطی که روی خیلی کم یا خیلی زیاد است، به طور بالقوه در زمین‌های حاشیه‌ای برای تولید انرژی زیستی و محصولات زیستی، بهینه کند.»

این تحقیق توسط دفتر علوم DOE، دفتر تحقیقات بیولوژیکی و محیطی (BER) از طریق QPSI، با بیان پروتئین، خالص‌سازی و آماده‌سازی نمونه با پشتیبانی دفتر علوم پایه انرژی (BES) تامین شد. عملیات LBMS توسط BER پشتیبانی می شود.