Işık, bakteriyel sinyal enzimini iki şekil arasında çevirerek sinyallerin nasıl hareket ettiğini ortaya çıkarır

Bayreuth Üniversitesi ve Forschungszentrum Jülich’teki araştırmacılar, ışığa duyarlı spesifik enzimlerin (sensör histidin kinazlar (SHK’ler) olarak adlandırılır) sinyallerini asimetride ışık kontrollü bir değişiklik yoluyla ilettiğini gösterdi. Araştırmacılar, yeni çalışmalarıyla bakteriyel sinyal işlemenin merkezi mekanizmasının daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunuyor. Bu, biyotıp veya biyoteknoloji için yeni araçların geliştirilmesine yardımcı olabilir. Bulgular dergide raporlanıyor Bilim Gelişmeleri.

SHK’lar, belirli bir zamanda hangi genlerin aktif olduğunu kontrol etmekten hastalığa neden olma yeteneğinin etkinleştirilmesine kadar birçok süreçte önemli bir rol oynayan temel bakteriyel sinyal proteinleridir. Yapay olarak tasarlanmış ışığa duyarlı SHK’lar, optogenetikte ışıkla gen aktivitesini tam olarak kontrol etmek için de kullanılır. Bununla birlikte, tam protein için şu ana kadar yalnızca sınırlı yapısal bilgi mevcuttu.

Yeni çalışma, doğal ve tasarlanmış SHK’ların birden fazla protein alanı boyunca sinyalleri nasıl ilettiğine dair önemli bilgiler sağlıyor. Uzun vadede bu çalışma, biyolojik süreçlerin ışık kullanılarak tam olarak kontrol edilmesine olanak tanıyan yeni optogenetik araçların geliştirilmesine yardımcı olabilir. Bu özellikle biyoteknoloji ve biyotıp alanındaki uygulamalar için geçerlidir.

SHK’lar hücre yanıtlarını nasıl yönlendirir?

SHK’lar bakteriyel sinyal yollarındaki iki bileşenli sistemlerin bir parçasıdır. Işık gibi çevresel uyaranları tespit eden bir sensörden ve değiştirilmiş gen ifadesi gibi bir uyarana verilen tepkiyi kontrol eden bir düzenleyiciden oluşurlar. Sisteme bağlı olarak SHK’lar aydınlıkta veya karanlıkta farklı tepkileri tetikleyebilir: Ya fosfat gruplarını bir düzenleyiciye aktarırlar ya da uzaklaştırırlar.

Bu düzenleyici daha sonra hücre içindeki gen aktivitesindeki değişiklikler gibi diğer moleküler süreçleri kontrol eder. SHK’lar bakterilerdeki çok çeşitli sinyal yollarından sorumlu olmasına ve aynı zamanda optogenetikte (ışıkla hücresel aktiviteyi kontrol eden biyolojik bir teknoloji) kullanılmasına rağmen, sinyal iletiminin kesin mekanizmaları büyük ölçüde belirsizliğini koruyor. Bu sorun Bayreuth Üniversitesi ve Forschungszentrum Jülich’ten bir araştırma ekibi tarafından ele alındı.

Yapıyı fonksiyonla birleştirmek

Bayreuth Üniversitesi Biyokimya I araştırma grubundan ve aynı zamanda Düsseldorf Heinrich-Heine Üniversitesi Moleküler Enzim Teknolojisi Enstitüsü’nde misafir bilim insanı olan Ulrich Krauss, “Çalışmamızda, hem yapısal hem de işlevsel olarak optogenetik araçlar olarak kullanılabilecek yeni tasarlanmış ışığa duyarlı SHK’leri inceledik. Kristalografik verileri çözeltideki proteinlerin analizleri ve işlevsel testlerle birleştirdik” diyor. Forschungszentrum Jülich Biyo ve Yer Bilimleri Enstitüsü IBG-1.

Yöntemlerin bu kombinasyonu, araştırmacıların SHK’ların aktif karanlık durumunu ve ışığın neden olduğu yapısal değişimi doğru bir şekilde atamasını sağladı. Forschungszentrum Jülich’teki Protein Biyokimyası araştırma grubunun başkanı Renu Batra-Safferling, “Forschungszentrum Jülich ve Bayreuth Üniversitesi’ndeki farklı enstitüler ve araştırma grupları arasındaki yakın işbirliği, sinyal iletimi mekanizmasının şifresini çözmek için çok önemliydi” diye ekliyor.

İki şekil, iki etkinlik

İncelenen SHK’larda karanlıkta asimetrik olarak bükülmüş bir form oluşurken, ışık simetrik, düz bir yapıyı tercih etmektedir. Batra-Safferling, “Bu iki form arasındaki geçiş, enzimin kinaz aktivitesiyle, yani fosfat gruplarının düzenleyiciye aktarılmasıyla yakından bağlantılıdır” diye açıklıyor.

Solüsyondaki enzimin fonksiyonel ve yapısal incelemeleri, asimetrik olarak bükülmüş formun kinaz aktivitesine sahip olduğunu, simetrik, düz formun ise fosfataz aktivitesi sergilediğini, yani fosfat gruplarını regülatörden uzaklaştırdığını göstermektedir. Dolayısıyla SHK’nın uzaysal yapısı, fosfat gruplarının aktarılıp aktarılmayacağını veya kaldırılacağını büyük ölçüde belirler; bu, iki bileşenli sistemler tarafından gen aktivitesinin düzenlenmesinde merkezi bir adımdır.

“Basitçe söylemek gerekirse, asimetrik formda, enzimin önemli kısımları, kinaz aktivitesinin mümkün olacağı şekilde yönlendirilmiştir. Simetrik, düz forma geçiş, bu düzenlemeyi değiştirir ve bileşenleri kinaz fonksiyonuyla uyumsuz hale getirir. Bu, fosfataz aktivitesini kinaz aktivitesine tercih eder.” diye ekliyor Krauss.

Araştırmacılar şu anda başka bir projede bu mekanizmanın diğer SHK’lar için ne kadar evrensel olduğunu ve ışığa duyarlı proteinlerde sinyal iletiminde protein dinamiğinin genel olarak nasıl bir rol oynadığını araştırıyorlar.