World

Studi tentang enzim tumbuhan menunjukkan bahwa protein dapat mengubah susunan strukturalnya dengan sangat mudah


Struktur protein tidak kaku

Perbandingan rakitan rubisco dari spesies yang berbeda, menggambarkan berbagai struktur termasuk dimer, tetramer, hexamer, octamer, dan hexadecamer (16 unit protein). Kredit: Shih Lab/Berkeley Lab

Ketika Anda memikirkan protein—enzim, molekul pemberi sinyal, dan komponen struktural di setiap makhluk hidup—Anda mungkin memikirkan untaian tunggal asam amino, yang tersusun seperti manik-manik pada seutas tali. Tetapi hampir semua protein terdiri dari beberapa untai yang terlipat dan terikat satu sama lain, membentuk superstruktur 3D rumit yang disebut rakitan molekul. Salah satu langkah kunci untuk memahami biologi adalah menemukan bagaimana protein melakukan tugasnya, yang membutuhkan pengetahuan tentang strukturnya hingga ke tingkat atom.

Selama abad yang lalu, para ilmuwan telah mengembangkan dan menerapkan teknologi luar biasa seperti kristalografi sinar-X dan mikroskop cryo-elektron untuk menentukan struktur protein, dan dengan demikian menjawab banyak pertanyaan penting. Tetapi pekerjaan baru menunjukkan bahwa memahami struktur protein terkadang bisa lebih rumit dari yang kita kira.

Sekelompok peneliti dari Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) mempelajari protein paling melimpah di dunia, enzim yang terlibat dalam fotosintesis yang disebut rubisco, menunjukkan bagaimana evolusi dapat mengarah pada keragaman yang mengejutkan dari kumpulan molekul yang semuanya menyelesaikan tugas yang sama. Temuannya, diterbitkan hari ini di Kemajuan Ilmu Pengetahuanmengungkapkan kemungkinan bahwa banyak protein yang kita pikir kita tahu sebenarnya ada dalam bentuk lain yang tidak diketahui.

Secara historis, jika ilmuwan memecahkan struktur dan menentukan bahwa protein adalah dimer (terdiri dari dua unit), misalnya, mereka mungkin berasumsi bahwa protein serupa juga ada dalam bentuk dimer. Tetapi ukuran sampel yang kecil dan bias pengambilan sampel—faktor yang tidak dapat dihindari karena sangat sulit untuk mengubah protein cair alami menjadi bentuk kristal padat yang dapat diperiksa melalui kristalografi sinar-X – telah mengaburkan kenyataan.

Struktur protein tidak kaku

Albert Lui (kiri) dan Patrick Shih mendemonstrasikan bagaimana mereka mempelajari struktur dan evolusi rubisco, enzim yang digunakan tanaman untuk memanfaatkan CO2 untuk membuat gula, di Koshland Hall di UC Berkeley. Kredit: Marilyn Sargent/Berkeley Lab

“Ini seperti jika Anda berjalan keluar dan melihat seseorang berjalan dengan anjingnya, jika Anda belum pernah melihat anjing sebelumnya kemudian melihat anjing sosis, Anda akan berpikir, ‘Oke, seperti inilah rupa semua anjing.’ Tetapi yang perlu Anda lakukan adalah pergi ke taman anjing dan melihat semua keragaman anjing yang ada di sana,” kata penulis utama Patrick Shih, seorang ilmuwan fakultas di Area Biosains dan Direktur Desain Biosistem Tanaman di Joint BioEnergy Institute (JBEI). “Satu kesimpulan dari makalah ini yang melampaui rubisco, ke semua protein, adalah pertanyaan apakah kita melihat rentang struktur yang sebenarnya di alam atau tidak, atau apakah bias ini membuatnya tampak seperti anjing sosis.”

Berharap untuk menjelajahi semua pengaturan rubisco yang berbeda di taman anjing metaforis, dan mempelajari dari mana asalnya, lab Shih berkolaborasi dengan ahli biologi struktural Area Bioscience menggunakan Advanced Light Source dari Berkeley Lab. Bersama-sama, tim mempelajari jenis rubisco (bentuk II) yang ditemukan pada bakteri dan subset mikroba fotosintesis menggunakan kristalografi tradisional—teknik yang mampu menghasilkan resolusi tingkat atom—dikombinasikan dengan teknik pemecahan struktur lain, hamburan sinar-X sudut kecil. (SAXS), yang memiliki resolusi lebih rendah tetapi dapat mengambil snapshot protein dalam bentuk aslinya saat berada dalam campuran cair. SAXS memiliki keunggulan tambahan kemampuan throughput tinggi, yang berarti dapat memproses lusinan kumpulan protein individu secara berurutan dengan cepat.

Pekerjaan sebelumnya telah menunjukkan bahwa jenis rubisco yang dipelajari lebih baik yang ditemukan pada tumbuhan (bentuk I) selalu mengambil rakitan “inti oktamerik” dari delapan unit protein besar yang disusun dengan delapan unit kecil, sedangkan bentuk II diyakini sebagian besar ada sebagai dimer dengan beberapa contoh langka dari enam unit heksamer. Setelah menggunakan teknik pelengkap ini untuk memeriksa sampel rubisco dari beragam spesies mikroba, penulis mengamati bahwa sebagian besar protein rubisco bentuk II sebenarnya adalah heksamer, dengan dimer sesekali, dan mereka menemukan tetramerik (empat unit) yang belum pernah terlihat sebelumnya. perakitan.

Menggabungkan data struktural ini dengan sekuens gen pengkode protein masing-masing memungkinkan tim untuk melakukan rekonstruksi sekuens leluhur—metode evolusi molekuler berbasis komputer yang dapat memperkirakan seperti apa protein leluhur berdasarkan urutan dan penampilan protein modern yang berevolusi darinya.

Struktur protein tidak kaku

Albert Liu memeriksa beberapa lempeng kultur E. coli dengan gen untuk membuat rubisco bentuk II. Kredit: Albert Liu

Rekonstruksi menunjukkan bahwa gen untuk rubisco bentuk II telah berubah sepanjang sejarah evolusinya untuk menghasilkan protein dengan berbagai struktur yang berubah menjadi bentuk baru atau kembali ke struktur yang lebih tua dengan cukup mudah. Sebaliknya, selama evolusi, tekanan selektif menyebabkan serangkaian perubahan yang mengunci bentuk I rubisco pada tempatnya—proses yang disebut entrenchment struktural—itulah sebabnya rakitan oktamer adalah satu-satunya susunan yang kita lihat sekarang. Menurut penulis, diasumsikan bahwa sebagian besar kumpulan protein tertanam dari waktu ke waktu oleh tekanan selektif untuk menyempurnakan fungsinya, seperti yang kita lihat dengan rubisco bentuk I. Tetapi penelitian ini menunjukkan bahwa evolusi juga dapat mendukung protein fleksibel.

“Temuan besar dari makalah ini adalah ada banyak plastisitas struktural,” kata Shih, yang juga asisten profesor di UC Berkeley. “Protein mungkin jauh lebih fleksibel, di seluruh bidang, daripada yang kami yakini.”

Setelah menyelesaikan rekonstruksi urutan leluhur, tim melakukan eksperimen mutasi untuk melihat bagaimana mengubah perakitan rubisco, dalam hal ini memecah heksamer menjadi dimer, memengaruhi aktivitas enzim. Tak disangka, mutasi induksi ini menghasilkan bentuk rubisco yang lebih baik dalam memanfaatkan molekul targetnya, CO2. Semua rubisco yang terjadi secara alami sering kali mengikat O . yang berukuran sama2 molekul pada kecelakaan, menurunkan produktivitas enzim. Ada banyak minat dalam memodifikasi rubisco secara genetik pada spesies tanaman pertanian untuk meningkatkan afinitas protein terhadap CO2.2, untuk menghasilkan tanaman yang lebih produktif dan hemat sumber daya. Namun, ada banyak fokus pada situs aktif protein—wilayah protein tempat CO2 atau O2 mengikat.

“Ini adalah wawasan yang menarik bagi kami karena ini menunjukkan bahwa untuk mendapatkan hasil yang lebih bermanfaat dari rubisco rekayasa, kami tidak bisa hanya melihat jawaban yang paling sederhana, wilayah enzim yang benar-benar berinteraksi dengan CO2,” kata penulis pertama Albert Liu, seorang mahasiswa pascasarjana di lab Shih. “Mungkin ada mutasi di luar situs aktif yang benar-benar berpartisipasi dalam aktivitas ini dan berpotensi mengubah fungsi protein dengan cara yang kita inginkan. Jadi itu adalah sesuatu yang benar-benar membuka pintu ke jalan penelitian di masa depan.”

Rekan penulis Paul Adams, Associate Laboratory Director untuk Biosciences dan Vice President for Technology di JBEI menambahkan, “Perpaduan teknik yang digunakan dan sifat interdisipliner tim adalah kunci sukses yang nyata. Pekerjaan ini menyoroti kekuatan menggabungkan data genom dan metode biologi struktural untuk mempelajari salah satu masalah terpenting dalam biologi, dan mencapai beberapa kesimpulan yang tidak terduga.”


Studi menemukan ‘mata rantai yang hilang’ dalam sejarah evolusi rubisco protein pengikat karbon


Informasi lebih lanjut:
Albert Liu et al, Plastisitas struktural memungkinkan evolusi dan inovasi rakitan RuBisCO, Kemajuan Ilmu Pengetahuan (2022). DOI: 10.1126/sciadv.adc9440. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc9440

Disediakan oleh Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley

Kutipan: Studi pada enzim tumbuhan menunjukkan bahwa protein dapat mengubah susunan strukturalnya dengan sangat mudah (2022, 26 Agustus) diambil 27 Agustus 2022 dari

Dokumen ini tunduk pada hak cipta. Terlepas dari transaksi wajar apa pun untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.



Artikel ini pertama kali tayang di situs phys.org

Related Articles

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *

Back to top button