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Jun 21, 2023

A proteína Vertex PduN ajusta o desempenho da via encapsulada, ditando a morfologia do metabolismo bacteriano

Nature Communications volume 13, número do artigo: 3746 (2022) Citar este artigo 2584 Acessos 5 citações 9 Detalhes das métricas altmétricas A organização subcelular da engenharia em micróbios mostra grande

Nature Communications volume 13, número do artigo: 3746 (2022) Citar este artigo

2584 Acessos

5 citações

9 Altmétrico

Detalhes das métricas

A engenharia da organização subcelular em micróbios mostra-se muito promissora na resolução de gargalos nos esforços de engenharia metabólica; no entanto, faltam regras que orientem a seleção de uma estratégia ou plataforma organizacional. Aqui, estudamos a morfologia do compartimento como um fator na mediação do desempenho da via encapsulada. Usando o sistema de microcompartimentos de utilização de 1,2-propanodiol (Pdu MCP) de Salmonella enterica sorovar Typhimurium LT2, descobrimos que podemos mudar a morfologia deste nanorreator de proteína de poliédrico para tubular, removendo a proteína de vértice PduN. A análise da função metabólica entre estes microtubos Pdu (MTs) mostra que eles fornecem uma barreira difusional capaz de proteger o citosol de um intermediário da via tóxica, semelhante aos MCPs nativos. No entanto, a modelagem cinética sugere que as diferentes proporções entre área superficial e volume das estruturas MCP e MT alteram o desempenho da via encapsulada. Finalmente, relatamos um ensaio baseado em microscopia que permite uma avaliação rápida da formação de Pdu MT para permitir futuros esforços de engenharia nessas estruturas.

A organização espacial dos processos biológicos é essencial para a vida em muitos organismos, desde eucariontes multicelulares até procariontes unicelulares. Antes consideradas sem organização subcelular, as bactérias utilizam uma série de estratégias para segregar processos específicos dentro da célula. Um exemplo são os microcompartimentos bacterianos (MCPs), que são organelas que envolvem conjuntos específicos de enzimas em um invólucro proteico1,2. Os genes associados às MCPs são encontrados em 45 filos bacterianos3,4 e são classificados pelos segmentos da via metabólica que encapsulam. No nível mais alto, os MCPs são classificados como carboxossomos ou metabolossomos com base no fato de envolverem vias envolvidas em processos anabólicos ou catabólicos, respectivamente1. Os carboxissomos auxiliam muitas bactérias fixadoras de carbono, aumentando a concentração de CO2 nas proximidades da enzima carboxilante ribulose bifosfato carboxilase / oxigenase (RuBisCO) . Os metabolossomos, por outro lado, auxiliam no metabolismo de uma ampla gama de substratos e, portanto, encapsulam muitas vias químicas diferentes; no entanto, essas vias normalmente compartilham uma característica unificadora de passar por um intermediário aldeído tóxico7,8. Acredita-se que o sequestro deste intermediário tóxico ajude no metabolismo de fontes de carbono de nicho, como 1,2-propanodiol e etanolamina, proporcionando uma vantagem competitiva de crescimento para os patógenos entéricos que frequentemente abrigam metabolossomos9,10.

Os MCPs representam alvos de engenharia atraentes em uma variedade de aplicações, desde a bioprodução, onde o encapsulamento de enzimas heterólogas poderia melhorar o desempenho da via, até o desenvolvimento de antibióticos, onde a ruptura dessas estruturas de MCP poderia eliminar uma vantagem competitiva de crescimento9. No entanto, os metabolossomas, em particular, exibem diversidade em forma e tamanho, e não é bem compreendido como estas características se relacionam com a função4,12,13,14,15. Uma variedade de campos da engenharia, desde a catálise16 até a entrega de medicamentos17, ilustraram a importância da forma e do tamanho no desempenho dos nanomateriais. A relevância desses recursos ainda precisa ser investigada de forma significativa em sistemas MCP.

A utilização de 1,2-propanodiol (Pdu) MCP é um metabolossomo modelo que auxilia na degradação do 1,2-propanodiol18. Os Pdu MCPs existem em uma variedade de bactérias3,4,10, e tanto a via encapsulada10,18,19 quanto a estrutura20 desses metabolossomos foram investigadas. O operon pdu contém 21 genes que codificam as proteínas que compõem o invólucro Pdu MCP, bem como a via principal e as enzimas de reciclagem de cofatores (Fig. 1). Oito proteínas compõem o invólucro do microcompartimento Pdu (MCP) - PduA, PduB, PduB', PduJ, PduK, PduN, PduT e PduU21,22. Destas oito proteínas, sete (PduABB'JKTU) contêm um ou mais domínios pfam00936 do microcompartimento bacteriano (BMC) e, como tal, formam os multímeros hexagonais que se agrupam nas facetas e bordas do microcompartimento . ,27. pduN é o único gene pfam03319 do vértice do microcompartimento bacteriano (BMV) no operon pdu e, portanto, espera-se que forme pentâmeros que cubram os vértices do Pdu MCP15,28,29,30,31,32. O PduN é um componente de baixa abundância do invólucro do MCP, mas é essencial para a formação de estruturas compartimentais bem formadas . Embora estudos anteriores tenham ilustrado que estruturas aberrantes se formam na ausência de PduN, a funcionalidade e a natureza dessas estruturas ainda precisam ser exploradas em detalhes. Além disso, estudos sobre alfa e beta-carboxissomos mostraram que é necessário um fechamento estrito do invólucro para que esses microcompartimentos confiram seus benefícios de crescimento biologicamente relevantes e que isso não pode ser alcançado na ausência de proteínas pentaméricas do invólucro do vértice como o PduN34,35. Não está claro quão importante é esse fechamento estrito para sistemas de metabolossomos como o Pdu MCP, já que estudos de modelagem mostraram que uma barreira difusional moderada entre o citosol e um núcleo enzimático é suficiente para mediar o acúmulo de intermediários tóxicos . Trabalhos anteriores sugeriram a importância diferente de várias proteínas de casca, incluindo PduN, na função Pdu MCP ; mas permanecem dúvidas sobre como exatamente a morfologia do MCP controla o desempenho da via Pdu.