Proteina sensibile allo zucchero agisce come una macchina per attivare e disattivare la crescita delle piante

Roma – Alla base della crescita delle piante vi è un particolare meccanismo molecolare, regolato da una proteina che sale e scende a seconda del livello di zucchero, la principale fonte di energia delle piante. Lo rivela uno studio condotto dai biochimici del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, DOE, e dagli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory, PNNL, del DOE, pubblicato sulla rivista Science Advances. La ricerca descrive il funzionamento di questo meccanismo e il controllo esercitato da una specifica proteina nel regolare la crescita delle piante, attraverso la produzione di prodotti ad alta intensità energetica o l’attuazione di una serie di misure per la conservazione di risorse preziose. Le proteine sono macchine molecolari, con pezzi flessibili e parti mobili. Capire come si muovono queste parti aiuta gli scienziati a scoprire la funzione che una proteina svolge negli esseri viventi e, potenzialmente, a modificarne gli effetti. “Questo lavoro rivela il meccanismo dettagliato che dice alle cellule vegetali ‘abbiamo un sacco di zucchero’ e poi come questa segnalazione influisca sulle vie biochimiche che innescano processi come la crescita delle piante e la produzione di olio”, ha detto Jantana Blanford, biochimico del Brookhaven Lab e autore principale dello studio. La ricerca si basa su un precedente lavoro del gruppo di Brookhaven, che ha scoperto legami molecolari tra i livelli di zucchero e la produzione di olio nelle piante. Un obiettivo potenziale di questa ricerca è identificare proteine specifiche, e parti di proteine, che gli scienziati possono ingegnerizzare per ottenere piante che producano più olio da utilizzare come biocarburanti o altri prodotti a base di petrolio. “Identificare esattamente come interagiscono queste molecole e proteine, come fa questo nuovo studio, ci avvicina all’identificazione di come potremmo ingegnerizzare queste proteine per aumentare la produzione di olio nelle piante”, ha dichiarato John Shanklin, presidente del Dipartimento di Biologia del Brookhaven Lab e leader del team di ricerca. La squadra di scienziati ha utilizzato una combinazione di esperimenti di laboratorio e modellazione computazionale per individuare il modo in cui la molecola che funge da proxy dello zucchero si lega a una “chinasi sensore”, nota come KIN10; questa è la proteina che contiene le parti mobili che determinano l’attivazione o la disattivazione delle vie biochimiche. Gli scienziati sapevano già che KIN10 agisce sia come sensore di zucchero che come interruttore: Quando i livelli di zucchero sono bassi, KIN10 interagisce con un’altra proteina per innescare una cascata di reazioni che, in ultima analisi, interropono la produzione di olio e scompongono le molecole ricche di energia, come l’olio e l’amido, per produrre energia che alimenta la cellula. Ma, quando i livelli di zucchero sono elevati, la funzione di spegnimento di KIN10 viene interrotta, il che significa che le piante possono crescere e produrre molto olio e altri prodotti con l’energia abbondante. Per scoprirlo, Blanford ha prima identificato tre parti di KIN10 con carica positiva che potevano essere attratte dalle abbondanti cariche negative della molecola dello zucchero proxy. In seguito, un processo di eliminazione in laboratorio, che prevedeva la creazione di variazioni di KIN10 con modifiche a questi siti, ha identificato l’unico vero sito di legame. La squadra di ricerca di Brookhaven si è quindi rivolta ai colleghi computazionali del PNNL. Marcel Baer e Simone Raugei del PNNL hanno esaminato a livello atomico come il proxy dello zucchero e KIN10 si integrano. “Utilizzando la modellazione multiscala abbiamo osservato che la proteina può esistere in più conformazioni, ma solo una di esse può legare efficacemente il proxy di zucchero”, ha specificato Baer. Le simulazioni del PNNL hanno identificato gli amminoacidi chiave all’interno della proteina che controllano il legame dello zucchero. Queste intuizioni computazionali sono state poi confermate sperimentalmente. L’insieme delle informazioni sperimentali e computazionali ha aiutato i ricercatori a capire come l’interazione con il proxy dello zucchero influenzi direttamente l’azione a valle di KIN10. “Ulteriori analisi hanno dimostrato che l’intera molecola di KIN10 è rigida, tranne un lungo anello flessibile”, ha evidenziato Shanklin. “I modelli hanno anche dimostrato che la flessibilità dell’anello è ciò che permette a KIN10 di interagire con una proteina attivatrice per innescare la cascata di reazioni che, in ultima analisi, bloccano la produzione di olio e la crescita della pianta”, ha proseguito Shanklin. “Quando i livelli di zucchero sono bassi e la molecola proxy dello zucchero è scarsa, il circuito rimane flessibile e il meccanismo di spegnimento può funzionare per ridurre la crescita della pianta e la produzione di olio”, ha spiegato Shanklin. “Questo ha senso per conservare risorse preziose”, ha aggiunto Shanklin. Ma, quando i livelli di zucchero sono alti, il proxy dello zucchero si lega strettamente a KIN10. “I calcoli mostrano come questa piccola molecola blocchi l’oscillazione del loop e impedisca di innescare la cascata di spegnimento”, ha sottolineato Blanford. Anche in questo caso, ciò ha senso in quanto le piante hanno a disposizione zucchero in abbondanza per produrre olio. “Alla luce dei nostri risultati, potremmo potenzialmente usare le nostre nuove conoscenze per progettare KIN10 con una forza di legame alterata per il proxy dello zucchero, in modo da cambiare il punto di regolazione in cui le piante producono cose come l’olio e le distruggono”, ha concluso Shanklin. (30Science.com)