La mayoría de la gente no piensa mucho en el zinc. Pero todos los seres vivos necesitan zinc para sobrevivir. Este oligoelemento ayuda a plegar muchas proteínas en las formas correctas para llevar a cabo sus funciones. Y en proteínas conocidas como enzimas, el zinc ayuda a catalizar reacciones químicas, incluidas muchas que son importantes para proporcionar energía a las células. Si no hay zinc, las personas, las mascotas y las plantas no prosperarán.

Esa es una de las razones por las que los biólogos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. están tan interesados ​​en este elemento.

“Estamos buscando formas de cultivar plantas de bioenergía, ya sean plantas que produzcan biocombustibles o cuya biomasa se pueda convertir en combustible, y hacerlo en tierras que no son aptas para la agricultura. cultivos alimenticiosLa bióloga de Brookhaven Lab, Kristen Blaby, quien también tiene un cargo adjunto en la Universidad de Stony Brook, dijo: “Entonces, estamos interesados ​​en las estrategias que usa la naturaleza para sobrevivir cuando zinc Y otros micronutrientes no están disponibles”.

En un artículo recién publicado en la revista informes celulares, Bellaby y sus colegas describen una de estas estrategias: la llamadaAcompañado por“Una proteína que obtiene zinc donde se necesita, lo que puede ser especialmente importante cuando el acceso al zinc es limitado. Aunque los científicos, incluido Blaby, han sospechado durante mucho tiempo que existen instalaciones de zinc, la nueva investigación proporciona la primera evidencia concluyente al especificar el ‘destino’. de sus entregables.

A través de una serie de pruebas bioquímicas y experimentos genéticos, el equipo identificó una proteína a base de zinc que no puede funcionar correctamente sin la chaperona. Esta proteína, llamada MAP1, se encuentra en todas las especies, desde levaduras y ratones hasta plantas y humanos. Esto significa que los hallazgos son relevantes no solo para las plantas sino también para la salud humana, ya que la deficiencia de zinc conduce al crecimiento y al crecimiento deficiente.

“Nuestros objetivos son mantener los cultivos bioenergéticos, pero debido a que las proteínas que estudiamos son casi omnipresentes, nuestra investigación tiene aplicaciones muy amplias”, dijo Blaby.

rastreador de descubrimiento

Las chaperonas transportan otros metales traza, como el níquel y el cobre, porque pueden ser tóxicos. Los compañeros evitan que los metales reactivos participen en “asociaciones no deseadas”. Las interacciones entre ciertos minerales traza y el oxígeno generan radicales libres que dañan las células. Pero el zinc no parece tender a relaciones tan peligrosas.

“El zinc es un ion metálico relativamente inofensivo. Dado que no reacciona con el oxígeno para formar especies reactivas de oxígeno, pensamos que tal vez simplemente se difunde para llegar a donde necesita ir sin un compañero”, dijo Blaby. Pero eso no ha impedido que los científicos busquen uno.

Cuando Bellaby era estudiante de posgrado en la Universidad de Florida a principios de la década de 2000, trabajó con la profesora Valerie de Cressi-Lagarde, quien primero especuló que los miembros de una familia de proteínas llamada CobW eran los compañeros de zinc que faltaban. “Mi investigación como parte de ese grupo proporcionó evidencia de que, si había una, probablemente era una proteína de esta familia. Pero para probar que actúa como chaperona del zinc, necesitábamos identificar el destino: la proteína que transportaba el zinc a eso”, dijo Blaby.

Varios grupos han trabajado en este desafío durante años, pero aún no han podido encontrar y probar el supuesto objetivo del compañero.

La minería de datos proporciona pistas

Avance rápido hasta el momento en que Blaby comenzó a construir su grupo de investigación en Brookhaven en 2016. Mientras extraía datos sobre interacciones entre proteínas que se han depositado en bases de datos de búsqueda durante la última década, encontré evidencia de una interacción entre una proteína en la familia de chaperonas de zinc La supuesta proteína es la metionina aminopeptidasa, o MAP1. La interacción se encontró tanto en levaduras como en humanos.

“Cuando ves una interacción de proteína conservada como esta, en organismos muy diferentes, generalmente significa que es importante”, dijo Blaby.

Resulta que MAP1 modula muchas proteínas en la célula en casi todas las especies. Si MAP1 no funciona, las proteínas no modificadas tienen problemas. Y MAP1 depende del zinc para funcionar.

“Las piezas están comenzando a encajar”, ​​dijo Balabi. “Entonces comenzó la verdadera diversión, que fue probar nuestra hipótesis muy específica: que esta proteína que llamamos ZNG1 (pronunciado Zing 1) es el ayudante que entrega zinc a MAP1”.

Blaby trabajó con los posdoctorados de Brookhaven, Miriam Pasquini y Nicholas Grosjean, quienes diseñaron y realizaron una serie de experimentos para resaltar el caso. Los dos comparten la primera autoría sobre el papel.

“Este fue un gran equipo para armar para hacer ambas cosas en vivo y yolaboratorio El trabajo necesita finalmente proporcionar evidencia experimental de la función de estas proteínas”.

La prueba está en la botella.

Primero, usando células de levadura de rápido crecimiento, Grogan eliminó el gen que le dice a las células cómo producir ZNG1. Si esta proteína es el moderador que entrega zinc a MAP1, entonces la proteína MAP1 no debería funcionar correctamente en las células extirpables.

Y cuando el zinc es deficiente en el medio ambiente, el defecto en la función de MAP1 debe empeorar.

“Cuando muchas proteínas compiten por una cantidad limitada de zinc, este es un caso en el que, si hay un acompañamiento, puede ayudar elegir cuál de las muchas proteínas a base de zinc debería obtener este valioso recurso”, explicó Grogan. En otras palabras, cuando el zinc es limitado, la ausencia de utilidades debe sentirse aún más.

Los resultados fueron los esperados: las células sin el gen ZNG1 tenían defectos en la actividad de MAP1, y el nivel de defecto aumentó en el entorno bajo en zinc.

A continuación, Pasquini dirigió un proyecto para purificar las dos proteínas, ZNG1 y MAP1, por separado. Primero, mostró que en ausencia de zinc, como se esperaba, MAP1 no actúa por sí solo.

Luego mezcló MAP1 con ZNG1 cargado con zinc. Pero de nuevo, no hubo actividad de MAP1. Los científicos concluyeron que algo más debe faltar.

A través de una serie de experimentos, demostraron que ZNG1 necesita activación para entregar su carga de zinc. Esta activación proviene de una molécula de energía conocida como GTP.

“Lo que creemos que está sucediendo es que el flanqueo se une al GTP y tiene una cierta forma”, dijo Pasquini. “Cuando libera energía de GTP, cambia de forma. Creemos que el cambio armónico podría ser importante para la unión y liberación de zinc”.

Cuando Pasquini agregó GTP a la mezcla de ZNG1 y MAP1 cargada con zinc, finalmente notó la actividad de MAP1.

“Solo después de agregar la molécula de energía, se ve evidencia de transferencia de zinc a MAP1”, dijo.

Juntos, estos experimentos proporcionaron la evidencia que durante mucho tiempo se ha sospechado proteína Ahora conocido como ZNG1, actúa como acompañante para la entrega de zinc a MAP1.

implicaciones más amplias

El equipo también colaboró ​​con científicos del Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, en experimentos de “proteómica” a mayor escala. Trabajaron con Estella Yee en Brookhaven Lab’s Fuente de luz de sincrotrón nacional II (NSLS-II), otra instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, en estudios de modelado computacional para comprender proteína El complejo que se forma entre el factor zinc y MAP1.

“para nosotros en vivo Y en el laboratorio Los experimentos solo miraban a los jugadores. Lo que las proteínas nos permitieron hacer fue ver cómo la eliminación del gen de la transferasa de zinc afectaba todo el mundo Las proteínas y el estudio del efecto que estos jugadores tienen sobre el resto de la célula y el organismo, dijo Blaby.

Uno de los efectos principales es que las células ya no pueden adaptarse a niveles bajos de zinc.

“Las células han evolucionado de modo que cuando las concentraciones de zinc caen drásticamente, se activa un conjunto de genes en respuesta a este cambio en las condiciones. Pero cuando eliminas ZNG1, muchos de esos genes permanecen desactivados”, dijo Blaby.

“Ahora estamos construyendo sobre este trabajo fundamental realizado en un organismo modelo de levadura de rápido crecimiento para comprender cómo se conservan y funcionan estas proteínas en cultivos bioenergéticos”, dijo Blaby. “Este trabajo destaca una estrategia previamente desconocida que usan las plantas para crecer cuando el zinc es limitado en el suelo. Comprender tales estrategias puede ayudarnos a idear formas de mejorar el rendimiento de los cultivos y lograr una bioenergía ambientalmente sostenible”.

Pasquini agregó: “La posibilidad de que las plantas ganen resiliencia en suelos bajos en zinc también significa que podremos explotar tierras no cultivables para producir cultivos bioenergéticos, dejando suelos fértiles para otros fines agrícolas. Presionar a las células vegetales para que produzcan más ZNG1 posiblemente pueda lograr crecimiento superior en tierras marginales empobrecidas en Zn.