Des recherches récentes du Brookhaven National Laboratory explorent la manière dont les protéines végétales réagissent aux niveaux de sucre. L'étude révèle que la liaison de la molécule de sucre à la protéine KIN10 influence la croissance des plantes et la production d'huile. Cette découverte pourrait conduire à des modifications génétiques des plantes afin d’améliorer la production de pétrole pour les biocarburants. Crédit : Issues.fr
Une nouvelle étude montre comment les niveaux de sucre influencent la croissance des plantes et la production de pétrole via la protéine KIN10, offrant ainsi un potentiel de progrès dans la production de biocarburants.
Les protéines fonctionnent comme des machines moléculaires, équipées de composants flexibles et de pièces mobiles. Avoir un aperçu de ces mouvements est crucial pour les scientifiques, car cela les aide à comprendre le rôle que joue une protéine dans les organismes et peut également les guider dans la modification de ses effets. Une équipe de biochimistes du laboratoire national de Brookhaven du ministère américain de l'Énergie et du laboratoire national du nord-ouest du Pacifique a fourni de nouvelles informations sur les mécanismes de ces machines moléculaires au sein des plantes.
Dans leur récente étude, publiée dans Avancées scientifiquesles chercheurs se concentrent sur la façon dont les mouvements d'une protéine spécifique détectant le sucre déterminent si les plantes poussent et produisent des produits à forte intensité énergétique, comme le pétrole, ou si elles s'engagent dans des mesures conservatoires.
Cette image montre une protéine végétale connue sous le nom de KIN10 (jaune) qui agit comme un capteur et un interrupteur pour arrêter ou réactiver la production de pétrole selon qu'elle interagit avec une autre protéine (vert). Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Des mécanismes moléculaires dévoilés
Jantana Blanford, biochimiste du Brookhaven Lab et auteur principal de l'étude, explique : « Cet article révèle le mécanisme détaillé par lequel les cellules végétales sont informées de la disponibilité élevée de sucre, influençant les voies biochimiques qui facilitent la croissance des plantes et la production d'huile. »
La recherche s'étend sur des travaux antérieurs de l'équipe de Brookhaven qui ont découvert des liens moléculaires entre les niveaux de sucre et la production d'huile dans les plantes. L’un des objectifs potentiels de cette recherche est d’identifier des protéines spécifiques et leurs composants que les scientifiques peuvent concevoir pour amener les plantes à produire des produits plus gourmands en énergie, comme le pétrole.
« Identifier exactement comment ces molécules et protéines interagissent, comme le fait cette nouvelle étude, nous rapproche de l'identification de la manière dont nous pourrions concevoir ces protéines pour augmenter la production d'huile végétale », a déclaré John Shanklin, auteur principal et président du département de biologie du Brookhaven Lab.
Cette animation montre comment une boucle flexible (orange) sur une protéine végétale appelée KIN10 (jaune) lui permet d'interagir avec une autre protéine (verte) — mais uniquement lorsque les niveaux de sucre sont faibles. L'interaction des deux protéines déclenche une cascade de réactions qui dégradent d'autres protéines impliquées dans la synthèse de l'huile afin que la plante puisse conserver ses ressources. Lorsque les niveaux de sucre sont élevés, ce qui signifie que la plante dispose de ressources abondantes, une molécule proxy du sucre bloque le mouvement de balancement de la boucle. Cela empêche l’interaction protéique, qui maintient ouverte la voie de production de pétrole. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Nouvelle recherche sur les interactions entre protéines
L’équipe a utilisé une combinaison d’expériences en laboratoire et de modélisation informatique pour se concentrer sur la manière dont la molécule qui sert de substitut au sucre se lie à une « kinase capteur » connue sous le nom de KIN10. KIN10 est la protéine qui contient les pièces mobiles qui déterminent quelles voies biochimiques sont activées ou désactivées.
Les scientifiques savaient déjà que KIN10 agit à la fois comme un capteur de sucre et un interrupteur : lorsque les niveaux de sucre sont faibles, KIN10 interagit avec une autre protéine pour déclencher une cascade de réactions qui finissent par arrêter la production de pétrole et décomposer les molécules riches en énergie comme le pétrole et l'amidon pour produire l'énergie qui alimente la cellule. Mais lorsque les niveaux de sucre sont élevés, la fonction d'arrêt du KIN10 est désactivée, ce qui signifie que les plantes peuvent pousser et produire beaucoup d'huile et d'autres produits avec une énergie abondante.
Ce diagramme montre les deux voies suivies par KIN10 et une protéine adjacente, GRIK1, dans des conditions faibles et élevées en sucre. Une faible teneur en sucre permet l'ajout d'un phosphate (P) à KIN10, ce qui déclenche une cascade de phosphorylation conduisant à la dégradation des enzymes impliquées dans la synthèse de l'huile. Cela inclut la dégradation de WRI1, l’interrupteur principal pour la synthèse du pétrole. Cependant, lorsque le sucre est abondant, une molécule proxy du sucre (T6P) se lie à la boucle KIN10 pour bloquer son interaction avec GRIK1. Cela maintient la voie de synthèse du pétrole ouverte. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Pour identifier comment la liaison du proxy sucre à KIN10 actionne l'interrupteur, Blanford a commencé par l'adage « les opposés s'attirent ». Elle a identifié trois parties chargées positivement de KIN10 qui pourraient être attirées par de nombreuses charges négatives sur la molécule proxy du sucre. Un processus d'élimination en laboratoire qui impliquait de faire des variations de KIN10 avec des modifications de ces sites a identifié le seul véritable site de liaison.
Ensuite, l’équipe de Brookhaven s’est tournée vers des collègues informaticiens du PNNL. Marcel Baer et Simone Raugei du PNNL ont examiné au niveau atomique comment le proxy sucre et KIN10 s'articulent. « En utilisant une modélisation multi-échelle, nous avons observé que la protéine peut exister sous plusieurs conformations, mais qu'une seule d'entre elles peut se lier efficacement au proxy sucre », a déclaré Baer.
Les simulations PNNL ont identifié la clé acides aminés au sein de la protéine qui contrôle la liaison du sucre. Ces connaissances informatiques ont ensuite été confirmées expérimentalement.
L’ensemble combiné d’informations expérimentales et informatiques a aidé les scientifiques à comprendre comment l’interaction avec le proxy sucre affecte directement l’action en aval de KIN10.
Membres de l'équipe de recherche du Brookhaven Lab : Jantana Blanford, Zhiyang Zhai, Hui Li, Qun Liu et John Shanklin (non illustré : Gongrui Guo). Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Le rôle de la flexibilité dans la fonction des protéines
« Des analyses supplémentaires ont montré que la molécule KIN10 entière est rigide, à l'exception d'une longue boucle flexible », a déclaré Shanklin. Les modèles ont également montré que la flexibilité de la boucle permet à KIN10 d’interagir avec une protéine activatrice pour déclencher la cascade de réactions qui finissent par arrêter la production de pétrole et la croissance des plantes.
Co-auteurs du Pacific Northwest National Laboratory, Marcel Baer et Simone Raugei. Crédit : Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique
Lorsque les niveaux de sucre sont faibles et que peu de molécules substituts du sucre sont présentes, la boucle reste flexible et le mécanisme d’arrêt peut fonctionner pour réduire la croissance des plantes et la production d’huile. Cela est logique pour conserver des ressources précieuses, a déclaré Shanklin. Cependant, lorsque les niveaux de sucre sont élevés, le proxy du sucre se lie étroitement à KIN10.
« Les calculs montrent comment cette petite molécule bloque la boucle et l'empêche de déclencher la cascade d'arrêt », a déclaré Blanford.
« Nous pourrions potentiellement utiliser nos nouvelles connaissances pour concevoir KIN10 avec une force de liaison modifiée pour le proxy du sucre afin de modifier le point de consigne auquel les plantes produisent des éléments comme l'huile et les décomposent », a déclaré Shanklin. Ces connaissances pourraient conduire à une production plus efficace de biocarburants et d’autres produits à base de pétrole.
Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du DOE (BES). Le temps informatique a été fourni par le Centre national de calcul scientifique de recherche énergétique (NERSC) du Laboratoire national Lawrence Berkeley et par l'Installation informatique des sciences moléculaires (MSCF) du Laboratoire des sciences moléculaires environnementales du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique. Le NERSC et le MSCF sont des installations utilisatrices du DOE Office of Science.
