Блог

Jun 21, 2023

Вертексный белок PduN настраивает работу инкапсулированного пути, диктуя морфологию бактериальных метаболосом.

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3746 (2022) Цитировать эту статью 2584 Доступов 5 Цитирований 9 Подробности об альтернативных метриках Инженерная субклеточная организация у микробов демонстрирует отличные результаты

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3746 (2022) Цитировать эту статью

2584 Доступа

5 цитат

9 Альтметрика

Подробности о метриках

Инженерная субклеточная организация микробов показывает большие перспективы в устранении узких мест в метаболической инженерии; однако правила, регулирующие выбор стратегии или платформы организации, отсутствуют. Здесь мы изучаем морфологию компартментов как фактор, обеспечивающий работу инкапсулированного пути. Используя систему микрокомпартментов утилизации 1,2-пропандиола (Pdu MCP) из серовара Salmonella enterica Typhimurium LT2, мы обнаружили, что можем изменить морфологию этого белкового нанореактора с полиэдрической на трубчатую, удалив вершинный белок PduN. Анализ метаболической функции между этими микротрубками Pdu (MT) показывает, что они обеспечивают диффузионный барьер, способный защищать цитозоль от промежуточного продукта токсического пути, подобно нативным MCP. Однако кинетическое моделирование предполагает, что различное соотношение площади поверхности к объему структур MCP и MT изменяет эффективность инкапсулированного пути. Наконец, мы сообщаем об анализе на основе микроскопии, который позволяет быстро оценить образование Pdu MT, чтобы обеспечить будущие инженерные работы над этими структурами.

Пространственная организация биологических процессов необходима для жизни многих организмов, от многоклеточных эукариотов до одноклеточных прокариотов. Когда-то считалось, что бактерии лишены субклеточной организации, но теперь они используют ряд стратегий для разделения определенных процессов внутри клетки. Одним из таких примеров являются бактериальные микрокомпартменты (MCP), которые представляют собой органеллы, заключающие в белковую оболочку определенные наборы ферментов1,2. Гены, связанные с MCP, обнаружены в 45 бактериальных типах3,4 и классифицируются по сегментам метаболического пути, которые они инкапсулируют. На самом высоком уровне MCP классифицируются как карбоксисомы или метаболосомы в зависимости от того, включают ли они пути, участвующие в анаболических или катаболических процессах соответственно1. Карбоксисомы помогают многим углеродфиксирующим бактериям, увеличивая концентрацию CO2 вблизи карбоксилирующего фермента рибулозобисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы (RuBisCO)5,6. Метаболосомы, с другой стороны, способствуют метаболизму широкого спектра субстратов и, таким образом, инкапсулируют множество различных химических путей; однако эти пути обычно имеют объединяющую особенность: прохождение через токсичный альдегидный промежуточный продукт7,8. Считается, что секвестрация этого токсичного промежуточного продукта способствует метаболизму нишевых источников углерода, таких как 1,2-пропандиол и этаноламин, обеспечивая конкурентное преимущество роста кишечным патогенам, которые часто содержат метаболосомы9,10.

MCP представляют собой привлекательные инженерные цели в различных приложениях: от биопроизводства, где инкапсуляция гетерологичных ферментов может улучшить эффективность пути11, до разработки антибиотиков, где разрушение этих структур MCP может устранить конкурентное преимущество роста9. Однако метаболосомы, в частности, демонстрируют разнообразие по форме и размеру, и не совсем понятно, как эти особенности связаны с функцией4,12,13,14,15. Различные области техники, от катализа16 до доставки лекарств17, продемонстрировали важность формы и размера для эффективности наноматериалов. Актуальность этих функций еще предстоит серьезно исследовать в системах MCP.

MCP утилизации 1,2-пропандиола (Pdu) представляет собой модельную метаболосому, которая способствует расщеплению 1,2-пропандиола18. MCP Pdu существуют у множества бактерий3,4,10, и были исследованы как инкапсулированный путь10,18,19, так и структура20 этих метаболосом. Оперон pdu содержит 21 ген, кодирующий белки, составляющие оболочку Pdu MCP, а также ферменты основного пути и рециклинга кофакторов (рис. 1). Восемь белков составляют оболочку микрокомпартмента Pdu (MCP) — PduA, PduB, PduB', PduJ, PduK, PduN, PduT и PduU21,22. Из этих восьми белков семь (PduABB'JKTU) содержат один или несколько доменов бактериального микрокомпартмента (BMC) pfam00936 и, как таковые, образуют гексагональные мультимеры, которые собираются в грани и края микрокомпартмента22,23,24,25,26 , 27. pduN является единственным геном pfam03319 вершины бактериального микрокомпартмента (BMV) в опероне pdu, и, таким образом, ожидается, что он будет образовывать пентамеры, которые замыкают вершины Pdu MCP15,28,29,30,31,32. PduN является компонентом оболочки MCP с низким содержанием, но он важен для формирования хорошо сформированных компартментных структур21,22,33. Хотя предыдущие исследования показали, что аберрантные структуры формируются в отсутствие PduN, функциональность и природа этих структур еще не изучены подробно. Кроме того, исследования как альфа-, так и бета-карбоксисом показали, что строгое закрытие оболочки необходимо для этих микрокомпартментов, чтобы обеспечить их биологически значимые преимущества для роста, и что этого нельзя достичь в отсутствие пентамерных белков вершинной оболочки, таких как PduN34,35. Неясно, насколько важно это строгое закрытие для систем метаболосом, таких как Pdu MCP, поскольку исследования моделирования показали, что умеренный диффузионный барьер между цитозолем и ядром фермента достаточен для обеспечения накопления токсических промежуточных продуктов36. Предыдущая работа предположила различную важность различных белков оболочки, включая PduN, в функции Pdu MCP22; но остаются вопросы о том, как именно морфология MCP контролирует работу пути Pdu.