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Jun 21, 2023

Vertex 단백질 PduN은 박테리아 대사체 형태를 지시하여 캡슐화된 경로 성능을 조정합니다.

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3746(2022) 이 기사 인용 2584 액세스 5 인용 인용 9 Altmetric Metrics 세부 정보 미생물의 세포 내 조직 공학이 훌륭함을 보여줍니다.

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3746(2022) 이 기사 인용

2584 액세스

5 인용

9 알트메트릭

측정항목 세부정보

미생물의 세포 내 조직 공학은 대사 공학 노력의 병목 현상을 해결하는 데 큰 가능성을 보여줍니다. 그러나 조직 전략이나 플랫폼 선택을 안내하는 규칙은 부족합니다. 여기에서는 캡슐화된 경로 성능을 중재하는 요인으로 구획 형태를 연구합니다. Salmonella enterica serovar Typhimurium LT2의 1,2-프로판디올 활용 미세구획(Pdu MCP) 시스템을 사용하여 우리는 정점 단백질 PduN을 제거하여 이 단백질 나노반응기의 형태를 다면체에서 관형으로 이동할 수 있음을 발견했습니다. 이들 Pdu 마이크로튜브(MT) 사이의 대사 기능 분석은 이들이 천연 MCP와 유사하게 독성 경로 중간체로부터 세포질을 보호할 수 있는 확산 장벽을 제공한다는 것을 보여줍니다. 그러나 동역학 모델링은 MCP 및 MT 구조의 표면적 대 부피 비율이 다르면 캡슐화 된 경로 성능이 변경됨을 시사합니다. 마지막으로, 우리는 이러한 구조에 대한 미래의 엔지니어링 노력을 가능하게 하기 위해 Pdu MT 형성의 신속한 평가를 허용하는 현미경 기반 분석을 보고합니다.

생물학적 과정의 공간적 구성은 다세포 진핵생물부터 단세포 원핵생물에 이르기까지 많은 유기체의 생명에 필수적입니다. 한때 세포 이하 조직이 부족한 것으로 생각되었던 박테리아는 세포 내의 특정 과정을 분리하기 위해 일련의 전략을 활용합니다. 그러한 예 중 하나는 단백질 껍질에 특정 효소 세트를 담는 세포 소기관인 박테리아 미세구획(MCP)입니다. MCP와 관련된 유전자는 45개의 박테리아 문에서 발견되며3,4 MCP가 캡슐화하는 대사 경로 세그먼트에 따라 분류됩니다. 가장 높은 수준에서 MCP는 각각 동화 과정 또는 이화 과정에 관련된 경로를 포함하는지 여부에 따라 카르복시솜 또는 대사체로 분류됩니다1. 카르복시솜은 카르복실화 효소인 리불로스 비스포스페이트 카르복실라제/옥시게나제(RuBisCO)5,6 근처에서 CO2 농도를 증가시켜 많은 탄소 고정 박테리아를 돕습니다. 반면에 대사체는 광범위한 기질의 대사를 돕고 따라서 다양한 경로 화학을 캡슐화합니다. 그러나 이러한 경로는 일반적으로 독성 알데히드 중간체를 통과하는 통일된 특징을 공유합니다. 이 독성 중간체의 격리는 1,2-프로판디올 및 에탄올아민과 같은 틈새 탄소원의 대사를 돕고 종종 대사체를 보유하는 장내 병원균에 대한 경쟁적 성장 이점을 제공하는 것으로 생각됩니다9,10.

MCP는 이종 효소 캡슐화가 경로 성능을 향상시킬 수 있는 생물 생산부터 이러한 MCP 구조의 붕괴가 경쟁적 성장 이점을 제거할 수 있는 항생제 개발에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 매력적인 엔지니어링 목표를 나타냅니다9. 그러나 특히 대사체는 모양과 크기가 다양하며 이러한 특징이 기능과 어떻게 관련되는지 잘 이해되지 않습니다. 촉매작용16에서 약물 전달17까지 다양한 공학 분야에서 나노물질 성능에 대한 모양과 크기의 중요성이 설명되었습니다. 이러한 기능의 관련성은 아직 MCP 시스템에서 의미 있게 조사되지 않았습니다.

1,2-프로판디올 활용(Pdu) MCP는 1,2-프로판디올 분해를 돕는 모델 대사체입니다18. Pdu MCP는 다양한 박테리아에 존재하며 캡슐화된 경로와 이러한 대사체의 구조가 모두 조사되었습니다. pdu 오페론에는 Pdu MCP 껍질을 구성하는 단백질과 주요 경로 및 보조인자 재활용 효소를 암호화하는 21개의 유전자가 포함되어 있습니다(그림 1). 8개의 단백질(PduA, PduB, PduB', PduJ, PduK, PduN, PduT 및 PduU)이 Pdu 미세구획(MCP) 껍질을 구성합니다. 이 8개 단백질 중 7개(PduABB'JKTU)는 하나 이상의 세균 미세구획(BMC) pfam00936 도메인을 포함하며, 따라서 미세구획의 측면과 가장자리에 조립되는 육각형 다합체를 형성합니다22,23,24,25,26 ,27. pduN은 pdu 오페론의 유일한 박테리아 미세구획 정점(BMV) pfam03319 유전자이므로 Pdu MCP15,28,29,30,31,32의 정점을 덮는 펜타머를 형성할 것으로 예상됩니다. PduN은 MCP 쉘의 풍부하지 않은 구성 요소이지만 잘 형성된 구획 구조의 형성에 필수적입니다. 이전 연구에서는 PduN이 없을 때 비정상적인 구조가 형성된다는 것을 설명했지만 이러한 구조의 기능과 특성은 아직 자세히 조사되지 않았습니다. 또한, 알파- 및 베타-카르복시솜에 대한 연구에 따르면 이러한 미세구획이 생물학적으로 관련된 성장 이점을 부여하려면 껍질의 엄격한 폐쇄가 필요하며 이는 PduN과 같은 오량체 정점 껍질 단백질이 없으면 달성할 수 없다는 것이 밝혀졌습니다. 모델링 연구에 따르면 세포질과 효소 코어 사이의 중간 정도의 확산 장벽이 독성 중간체 축적을 중재하는 데 충분하다는 것이 밝혀졌기 때문에 Pdu MCP와 같은 대사체 시스템에 대해 이러한 엄격한 폐쇄가 얼마나 중요한지는 불분명합니다. 이전 연구에서는 Pdu MCP 기능에서 PduN을 포함한 다양한 껍질 단백질의 중요성이 다르다는 것을 제안했습니다. 그러나 MCP 형태가 Pdu 경로 성능을 정확히 어떻게 제어하는지에 대한 의문이 남아 있습니다.