Az új fehérjekomplex lehetővé teszi a túlélést ellenséges környezetben

Az új fehérjekomplex lehetővé teszi a túlélést ellenséges környezetben
Az új fehérjekomplex lehetővé teszi a túlélést ellenséges környezetben
Anonim

Blacksburg, Va. – Biswarup Mukhopadhyay és Eric Johnson, a Virginia Tech Virginia Bioinformatikai Intézetéből felfedeztek egy új enzimet, amely egy ősi méregtelenítő rendszert képvisel, és támpontot ad a korai anyagcsere fejlődéséhez a Földön.

A kutatás a Journal of Biological Chemistry 2005. november 18-i számában jelenik meg az "A New Type of Sulfite Reductase, a Novel Coenzyme F420-dependent Enzyme, from the Methanoarchaeon Methanocaldococcus jannaschii" című cikkében.

"Az újonnan felfedezett enzim egyedülálló módon összekapcsolja a biológiai metanogenezist és a szulfátredukciót, a két legősibb légúti metabolizmust" - mondta Mukhopadhyay, akinek a laboratóriuma metánt termelő organizmusokat, különösen a M. jannaschii-t tanulmányozza.

William Whitman, a Georgiai Egyetem mikrobiológia professzora, a mikrobiológiai sokféleség és a prokarióták evolúciós kapcsolatainak szakértője a kutatást kommentálva a következőket mondta: "Ez az eredeti munka fontos betekintést nyújt a metanogének evolúciójába. Ezekről az élőlényekről gyakran azt gondolták, hogy anyagcsere-képességeik nagyon korlátozottak. A jelenlegi tanulmány nagymértékben eloszlatja ezt a leegyszerűsített nézetet, és nagymértékben bővíti sokoldalúságukra vonatkozó ismereteinket."

A metanogenezis egy mikrobiális folyamat a természetben, amely metánt, energiaforrást és üvegházhatású gázt termel. A szulfátredukció egy mikrobiális folyamat is, amelynek során az élőlények a szulfátot szulfiddá, korrozív vegyületté vagy rohadt tojásszagú gázzá alakítják.

A metanogenezis egy 2,7-3,2 milliárd éves folyamat, és a szulfátredukció legalább 3,7 milliárd évvel ezelőtt kezdődött a Földön. "Ez a két folyamat láthatóan nem létezhet egyetlen élő sejten belül, mert a szulfát redukciója közbenső termékként szulfitot termel, amely károsítja a metántermelő gépezet egyik lényeges összetevőjét" - mondta Mukhopadhyay. "Ennek következtében a szulfit megöli a legtöbb metanogént."

A korai metanogének azonban elviselték a szulfitot. "A korai földön sok szulfid volt, de oxigén nem volt egészen 2,7 milliárd évvel ezelőttig. Akkor a kis mennyiségű oxigén szulfiddal való reakciója egy hiányos oxidációs terméket - szulfitot - eredményezett volna" - mondta. "A föld oxigénellátása során jelen lévő metanogéneknek szembe kellett nézniük ezzel a szulfittal."

De Johnson és Mukhopadhyay nem talált ilyen képesség jelét a metanogén DNS-szekvencia adataiban. "Egyértelmű volt, hogy vagy elveszett az ősi szulfit méregtelenítés, vagy nem ismerhető fel, mert nem hasonlít egyetlen ismert rendszerhez sem" - mondta Mukhopadhyay.

Ez utóbbi lehetőség kihívása vonzotta a csoportot a témához. Úgy döntöttek, megvizsgálják, hogy a korai földi körülményeket megőrző környezetben élő metanogének – mélytengeri hidrotermikus szellőzőnyílások – továbbra is rendelkeznek-e az ősi méregtelenítő rendszerrel.

A hidrotermikus szellőző belsejében a szulfidtartalmú túlhevített víz 350 C-on (662 F) keveredik hideg oxigéntartalmú vízzel, így hűvösebb – 48–94 C (118–200 F) – környezetet hoz létre, ahol a M. jannaschii képes. gyarapodni. "Ez a szulfid-oxigén keverék szulfitot is termelhet. Ezért az M. jannaschii olyan körülményeket tapasztal, amelyek a korai földön léteztek" - mondta Mukhopadhyay.

Tudta, hogy Lacy Daniels, az Iowai Egyetem mentora, és Negash Belay, egy kollégája diplomás tanulmányai során szulfit-asszimilációs képességet talált egy, a M. jannaschiihoz közeli rokon szervezetben, de nem vizsgálta, hogyan hogy a szervezet kezelte a szulfitmérgezést. Mindezeket az információkat összeadva Johnson és Mukhopadhyay azt feltételezte, hogy M.jannaschii rendelkezik egy szulfitredukáló enzimmel, és elkezdte keresni ezt a rendszert.

A M. jannaschii szulfitmentes és szulfittal dúsított környezetből származó fehérjeanalízise kimutatta, hogy a M. jannaschii tolerálja a szulfitot, sőt kénforrásként is használja egy korábban nem látott enzim expresszálásával. Az enzim, amely a sejtmembránon található, a toxikus szulfitot szulfiddá, a M. jannaschii nélkülözhetetlen tápanyagává alakítja.

Ez az enzim, az F420 koenzimtől függő szulfitreduktáz vagy Fsr "egy szokatlan koenzimet – egy 420-as faktor nevű deazaflavin molekulát – használ elektronhordozóként a szulfit redukciójához. A korábban leírt szulfitreduktázok egyike sem használ F420-at.”, mondta Johnson.

Genomszekvencia-vezérelt proteomikai technikák segítségével azonosították az enzim génjét. Egy kutatás kimutatta, hogy ez a gén csak a hidrotermikus szellőző metanogénekben és közeli rokonaikban létezik, más mikroorganizmusokban nem.

Az fsr gén szekvenciájából Johnson és Mukhopadhyay felfedezte, hogy az Fsr új aktivitása egyedi szerkezetből származik; két korábban ismert, egymástól független funkciójú fehérjét fizikailag kombináltak egy linker használatával.A két egység az összekapcsolás után is megőrzi egyéni jellemzőit.

"Feltételezésünk szerint az Fsr NH2-terminális fele (neve Fsr-N) az F420-on keresztül gyűjti az elektronokat, a COOH-terminális fele (Fsr-C) pedig ezeket az elektronokat használja a szulfit szulfiddá redukálására" - mondta Johnson.

Kísérleteik során a kutatók mindkét egyedi tulajdonságot, valamint a kombinált aktivitást észlelték. "Az Fsr-N egy fehérjére hasonlít, amely elektronokat juttat be bizonyos régészeti fajok membránalapú energiaátviteli rendszerébe. Ilyen energiaátviteli rendszer az E. coliban és az emberekben is megtalálható" - mondta Mukhopadhyay. "Az Fsr-C hasonló azokhoz a szulfit-reduktázokhoz, amelyek bizonyos baktériumokban és archaeákban találhatók. Ezek a korábban leírt szulfitreduktázok nem használják az F420 koenzimet elektronforrásként, és nincsenek elektrondonor partnereikhez kötve."

"Az Fsr létezése számos olyan kérdést vet fel, amelyek fontosak az anyagcsere és az enzimmechanizmus fejlődésével összefüggésben" - mondta Mukhopadhyay."Nem tudjuk, hogy az fsr gén felhasadása okozta-e a baktériumok szulfitreduktázait és bizonyos archeák energiaátalakítóit, vagy ez az enzim génfúziós eseményből származik."

"Az affinitásokból és a reakciósebességekből egyértelműen kiderül, hogy az enzim akár kis mennyiségű szulfitot is érzékel, és nagy mennyiségű szulfitot is nagyon gyorsan semlegesít. Ezek a tulajdonságok megfeleltek az ősi metanogének igényeinek, amikor az oxigén megjelent. a földön – mondta Mukhopadhyay. "De miért volt a szervezetben ez az enzim az első helyen?"

A nyom Robert White, a Virginia Tech biokémia professzorának publikált munkáiból származik, aki az anyagcsere-rendszerek fejlődését tanulmányozza, és együttműködik Mukhopadhyay-vel. "Lehetséges, hogy a M. jannaschii rendelkezik ezzel az enzimmel a kofaktor bioszintéziséhez, és ennek előzetes birtoklása szelektív előnyhöz juttatta a szervezetet, amikor megjelent az oxigén, és ennek következtében a szulfit" - mondta Mukhopadhyay."Mivel már tudjuk, hogy a metanogének képesek voltak kezelni a szulfittoxicitást, feltételezhetjük, hogy a szulfátredukciós útvonal többi része egykor létezett ezekben az organizmusokban."

Johnson és Mukhopadhyay már látta ennek a rendszernek néhány maradványát a M. jannaschii-ban. Szerintük tehát lehetséges, hogy a metanogenezis és a szulfátredukció végül is ugyanabban a szervezetben indulhatott el, és idővel a szulfitreduktáz gén elvesztése egy szulfitérzékeny metanogén kialakulását eredményezte. Hasonlóképpen bizonyos kulcsgének elvesztése olyan archaeát eredményezett, amely redukálja a szulfátot, de nem termel metánt. "De ugyanilyen lehetséges, hogy a szulfitredukciós rendszert egy másik szervezetben fejlesztették ki, és a metanogének vízszintes átvitel útján szerezték meg a szulfitredukciós gént ettől az entitástól" - mondta Mukhopadhyay.

Rolf Thauer, a németországi marburgi Max Planck Földi Mikrobiológiai Intézet professzora és biokémiai tanszékének vezetője, valamint az anaerob mikroorganizmusokkal foglalkozó elismert szaktekintély így kommentálta: "Új szulfit-reduktáz felfedezése egy metanogén anyagban az archeon fontos felfedezés.Közvetlenül relevánsnak bizonyulhat a metán szulfátos anaerob oxidációja szempontjából, amely folyamatban a metanogén archaeákkal szorosan rokon archaeák szorosan részt vesznek."

Mukhopadhyay kutatási támogatást kapott a NASA Exobiology and Evolutionary Biology programjától, hogy további munkát végezzen az új enzimmel és annak evolúciós vonatkozásaival kapcsolatban.

Népszerű téma

Érdekes cikkek
Rólunk
Olvass tovább

Rólunk

A fishcustomaquariums.com webhelyről

Kapcsolatok
Olvass tovább

Kapcsolatok

A fishcustomaquariums.com oldal elérhetőségei

A fishcustomaquariums.com adatvédelmi irányelvei
Olvass tovább

A fishcustomaquariums.com adatvédelmi irányelvei

A fishcustomaquariums.com adatvédelmi irányelvei