Superare le sfide per sintetizzare iro

Gli scienziati sviluppano un efficiente protocollo one-pot per la sintesi senza cellule di proteine ​​complesse ferro-zolfo

Istituto di tecnologia di Tokio

immagine: questo diagramma mostra i due passaggi principali coinvolti nel protocollo di sintesi proposto. La fase 1 mostra la cascata chimica utilizzata per creare un ambiente privo di ossigeno, insieme al sistema PURE utilizzato per sintetizzare le proteine ​​"immature" (apo). La fase 2 mostra l'implementazione del macchinario SUF, che aggiunge il cluster [4Fe–4S] alle proteine ​​apo, producendo proteine ​​[4Fe–4S] funzionali e mature.vedere di più

Credito: riprodotto da Wang e Nishikawa et al. 2023 ACS Biologia Sintetica

I cluster Fe-S, che fanno parte delle proteine ​​Fe-S, si trovano in tutte le forme di vita. Svolgono un ruolo significativo come cofattori biologici – molecole aiutanti che assistono queste proteine ​​in diverse trasformazioni biochimiche – coinvolte nella respirazione e nel metabolismo. Questi cluster rivestono un vivo interesse per la ricerca poiché sono considerati una parte fondamentale dell'evoluzione. Fungono da collegamento tra la chimica prebiotica (processi chimici che esistevano prima della comparsa delle forme di vita) e i complessi sistemi molecolari e biologici che conosciamo oggi. In parole povere, potrebbero essere uno dei catalizzatori primitivi che hanno portato alla nascita della vita sulla Terra. Pertanto, si spera che disporre di metodi convenienti per sintetizzare le proteine ​​Fe-S possa far avanzare la nostra comprensione della giovane biologia della Terra e aiutarci a rispondere alla domanda ultima sull’origine della vita.

Tuttavia, nonostante la loro prevalenza, la sintesi delle proteine ​​Fe–S mature all’esterno della cellula si è rivelata impegnativa. Non solo richiedono complessi macchinari cellulari per la sintesi, ma si degradano facilmente anche a contatto con l'ossigeno a causa della sua reazione con i loro cluster Fe-S. Pertanto, gli scienziati sono stati costretti a seguire il complicato percorso di prima produzione ed estrazione di una proteina incompleta (o "apo"), seguita dalla sua maturazione (aggiunta del cofattore Fe–S) in condizioni rigorosamente prive di ossigeno. Ma ciò che rende questo processo ancora più difficile è la presenza di proteine ​​contaminanti contenenti ferro nell’estratto finale.

In uno studio recente, un team di ricercatori, tra cui i professori associati Kosuke Fujishima e Shawn McGlynn dell'Earth-Life Science Institute (ELSI), il Tokyo Institute of Technology e il professore assistente Po-Hsiang Wang della National Central University, hanno sviluppato un nuovo protocollo per producendo proteine ​​mature [4Fe-4S] in cui il cluster Fe-S è posto all'interno di una struttura cubica. Il team ha ideato un percorso specializzato del sistema proteico di assemblaggio Fe-S che funzionerebbe in un ambiente privo di ossigeno grazie alla presenza di un sistema di eliminazione dell'ossigeno per fornire proteine ​​Fe-S mature.

I ricercatori hanno innanzitutto cercato di assemblare il cosiddetto sistema di formazione dello zolfo (SUF). Nei batteri, questo sistema multiproteico contiene tutti i macchinari necessari per produrre cluster [4Fe-4S]. Ha una tolleranza maggiore per l'ossigeno rispetto ad altri percorsi con funzioni simili (come la fissazione dell'azoto e il sistema di cluster lororone-zolfo). Il gruppo di ricerca ha creato un percorso SUF ricombinante costituito da sei subunità proteiche con la capacità di funzionare in un ambiente privo di cellule.

Per mantenere un ambiente privo di ossigeno all'interno della provetta, i ricercatori hanno quindi introdotto una cascata di tre enzimi (un insieme di tre reazioni enzimatiche che si verificano in una sequenza) che funge da sistema di eliminazione dell'ossigeno. Sebbene questo sistema di lavaggio rimuova l’ossigeno dall’ambiente, migliora anche l’efficienza del sistema. Raggiunge questo obiettivo producendo flavina adenina dinucleotide ridotto (FADH2), un trasportatore di elettroni necessario per la sintesi del cluster Fe-S mediante il sistema SUF.

Infine, per la sintesi della proteina apo, il team ha adottato un metodo specializzato senza cellule che consente la produzione in vitro di proteine ​​utilizzando la sintesi proteica ricostituita senza cellule nota come sistema PURE. Con l'aggiunta del materiale genetico (DNA o mRNA) e delle necessarie fonti di energia, il sistema PURE agisce essenzialmente come una fabbrica di proteine ​​artificiali.