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Jun 21, 2023

La proteina del vertice PduN regola le prestazioni del percorso incapsulato dettando la morfologia del metabolosoma batterico

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3746 (2022) Cita questo articolo 2584 Accessi 5 Citazioni 9 Dettagli metriche alternative L'ingegneria dell'organizzazione subcellulare nei microbi mostra grandi risultati

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L’ingegneria dell’organizzazione subcellulare nei microbi si dimostra molto promettente nell’affrontare i colli di bottiglia negli sforzi di ingegneria metabolica; tuttavia, mancano regole che guidino la selezione di una strategia o piattaforma organizzativa. Qui studiamo la morfologia del compartimento come fattore nella mediazione delle prestazioni del percorso incapsulato. Utilizzando il sistema di microcompartimenti di utilizzo dell'1,2-propandiolo (Pdu MCP) della Salmonella enterica sierotipo Typhimurium LT2, scopriamo che possiamo spostare la morfologia di questo nanoreattore proteico da poliedrico a tubolare rimuovendo la proteina di vertice PduN. L'analisi della funzione metabolica tra questi microtubi Pdu (MT) mostra che forniscono una barriera diffusionale in grado di proteggere il citosol da un percorso tossico intermedio, simile agli MCP nativi. Tuttavia, la modellazione cinetica suggerisce che i diversi rapporti tra superficie e volume delle strutture MCP e MT alterano le prestazioni del percorso incapsulato. Infine, riportiamo un test basato sulla microscopia che consente una rapida valutazione della formazione di Pdu MT per consentire futuri sforzi ingegneristici su queste strutture.

L'organizzazione spaziale dei processi biologici è essenziale per la vita in molti organismi, dagli eucarioti multicellulari ai procarioti unicellulari. Una volta ritenuti privi di organizzazione subcellulare, i batteri utilizzano una serie di strategie per separare processi specifici all’interno della cellula. Un esempio del genere sono i microcompartimenti batterici (MCP), che sono organelli che racchiudono insiemi specifici di enzimi in un guscio proteico1,2. I geni associati alle MCP si trovano in 45 phyla batterici3,4 e sono classificati in base ai segmenti del percorso metabolico che incapsulano. Al livello più alto, gli MCP sono classificati come carbossisomi o metabolosomi a seconda che racchiudano percorsi coinvolti rispettivamente nei processi anabolici o catabolici1. I carbossisomi aiutano molti batteri che fissano il carbonio aumentando la concentrazione di CO2 in prossimità dell'enzima carbossilante ribulosio bisfosfato carbossilasi/ossigenasi (RuBisCO)5,6. I metabolosomi, d'altro canto, aiutano nel metabolismo di un'ampia gamma di substrati e quindi incapsulano molti percorsi chimici diversi; tuttavia, questi percorsi condividono tipicamente la caratteristica unificante di passare attraverso un intermedio aldeidico tossico7,8. Si ritiene che il sequestro di questo intermedio tossico aiuti il ​​metabolismo di fonti di carbonio di nicchia come l'1,2-propandiolo e l'etanolamina, fornendo un vantaggio di crescita competitivo ai patogeni enterici che spesso ospitano metabolosomi9,10.

Gli MCP rappresentano obiettivi ingegneristici interessanti in una varietà di applicazioni, dalla bioproduzione, dove l'incapsulamento di enzimi eterologhi potrebbe migliorare le prestazioni del percorso11, allo sviluppo di antibiotici, dove l'interruzione di queste strutture MCP potrebbe eliminare un vantaggio di crescita competitivo9. Tuttavia, i metabolosomi in particolare mostrano diversità di forma e dimensione e non è ben compreso come queste caratteristiche siano correlate alla funzione4,12,13,14,15. Numerosi campi dell'ingegneria, dalla catalisi16 alla somministrazione di farmaci17, hanno illustrato l'importanza della forma e delle dimensioni sulle prestazioni dei nanomateriali. La rilevanza di queste caratteristiche deve ancora essere studiata in modo significativo nei sistemi MCP.

L'MCP di utilizzo dell'1,2-propandiolo (Pdu) è un metabolosoma modello che aiuta nella scomposizione dell'1,2-propandiolo18. Gli MCP Pdu esistono in una varietà di batteri3,4,10 e sono stati studiati sia il percorso incapsulato10,18,19 che la struttura20 di questi metabolosomi. L'operone pdu contiene 21 geni che codificano per le proteine ​​che compongono il guscio Pdu MCP nonché per il percorso principale e gli enzimi di riciclaggio dei cofattori (Fig. 1). Otto proteine ​​compongono il guscio del microcompartimento Pdu (MCP): PduA, PduB, PduB', PduJ, PduK, PduN, PduT e PduU21,22. Di queste otto proteine, sette (PduABB'JKTU) contengono uno o più domini pfam00936 del microcompartimento batterico (BMC) e, come tali, formano i multimeri esagonali che si assemblano nelle sfaccettature e nei bordi del microcompartimento22,23,24,25,26 ,27. pduN è l'unico gene pfam03319 del vertice del microcompartimento batterico (BMV) nell'operone pdu e si prevede quindi che formi pentameri che ricoprono i vertici del Pdu MCP15,28,29,30,31,32. PduN è un componente a bassa abbondanza del guscio MCP, ma è essenziale per la formazione di strutture compartimentali ben formate21,22,33. Sebbene studi precedenti abbiano dimostrato che in assenza di PduN si formano strutture aberranti, la funzionalità e la natura di queste strutture devono ancora essere esplorate in dettaglio. Inoltre, studi sia sugli alfa che sui beta-carbossisomi hanno dimostrato che è necessaria una rigorosa chiusura del guscio affinché questi microcompartimenti conferiscano i loro benefici di crescita biologicamente rilevanti e che ciò non può essere ottenuto in assenza di proteine ​​pentamericane del guscio del vertice come PduN34,35. Non è chiaro quanto sia importante questa rigorosa chiusura per i sistemi metabolosomi come il Pdu MCP, poiché studi di modellizzazione hanno dimostrato che una barriera diffusionale moderata tra il citosol e un nucleo enzimatico è sufficiente per mediare l'accumulo di intermedi tossici36. Lavori precedenti hanno suggerito la diversa importanza di varie proteine ​​del guscio, inclusa PduN, nella funzione Pdu MCP22; ma rimangono domande su come esattamente la morfologia MCP controlla le prestazioni del percorso Pdu.