A dichotomous family of Cache domain proteins evolved through c-type heme acquisition
Questo studio identifica e caratterizza una distinta famiglia di proteine con dominio Cache che si è evoluta attraverso l'acquisizione di un eme di tipo c legato covalentemente, rivelando un nuovo meccanismo per l'evoluzione dei sistemi sensoriali batterici in cui questi domini funzionano come sensori di ossido nitrico o regolatori redox.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Le cellule sono costantemente in ascolto del loro ambiente. Per sopravvivere, i batteri devono rilevare i cambiamenti nel loro habitat — come la presenza di cibo, tossine o segnali chimici da parte di altri organismi — e rispondere regolando il proprio comportamento. Lo fanno utilizzando proteine specializzate che fungono da sensori. Questi sensori sono come minuscole antenne incastonate nel confine esterno della cellula o che fluttuano al suo interno. Quando un sensore rileva un segnale specifico, innesca una reazione a catena all'interno della cellula che dice al batterio di muoversi, cambiare il proprio metabolismo o alterare l'attività genica. Per decenni, gli scienziati hanno categorizzato questi sensori in base alla forma delle loro strutture proteiche e agli strumenti chimici che usano per catturare i segnali. Un gruppo principale, noto come domini PAS, è famoso per l'uso di cofattori chimici interni, come l'eme, per percepire gas come l'ossigeno o l'ossido di azoto. Un altro gruppo, chiamato domini Cache, si credeva funzionasse diversamente; si pensava fossero semplici tasche esterne che afferrano piccole molecole come zuccheri o amminoacidi senza necessitare di alcun aiuto chimico interno.
Un team di ricercatori della Cornell University e della The Ohio State University ha scoperto che questa netta distinzione tra i due gruppi non è del tutto corretta. Hanno identificato una vasta famiglia di proteine batteriche che erano state precedentemente classificate erroneamente. Queste proteine somigliano ai sensori Cache esterni, ma hanno segretamente acquisito uno strumento interno potente: una molecola di eme legata covalentemente, lo stesso componente chimico ricco di ferro presente nel sangue umano che trasporta l'ossigeno. Questa scoperta rivela un nuovo percorso evolutivo in cui i batteri hanno riutilizzato la forma di un sensore standard per ospitare un complesso cofattore chimico, creando un sistema ibrido in grado di rilevare gas specifici nell'ambiente.
I ricercatori hanno iniziato esaminando un gruppo di proteine che erano state etichettate come "domini di funzione ignota" nei database batterici. Quando hanno analato le sequenze genetiche di migliaia di queste proteine, hanno trovato un motivo specifico di amminoacidi altamente conservato — un motivo CXXCH — che è il segno distintivo delle proteine che legano l'eme di tipo c. Questo motivo agisce come una colla molecolare, attaccando permanentemente la molecola di eme alla proteina. Il team ha poi esaminato le strutture tridimensionali di queste proteine e si è reso conto che non rientravano nel profilo dei sensori PAS interni. Inveve, la loro forma complessiva corrispondeva ai domini Cache esterni. Tuttavia, questi domini Cache presentavano un'inserzione unica: un piccolo anello contenente la colla per il legame con l'eme. Ciò significava che, per la prima volta, gli scienziati avevano trovato un dominio Cache che non si limita ad afferrare una molecola dall'esterno, ma tiene un cofattore all'interno di sé.
Per capire cosa fanno realmente questi nuovi sensori, i ricercatori hanno selezionato due proteine rappresentative da studiare in laboratorio. Una proveniva da Pseudomonas putida, un batterio che vive nel suolo, e l'altra da Pseudomonas azotoformans. La prima proteina era un sensore "stand-alone", ovvero esisteva da sola senza essere collegata ad altre macchine di segnalazione. La seconda proteina faceva parte di un sistema più ampio, fusa a un'elica transmembrana e a un dominio di segnalazione citoplasmatico che trasmetteva i messaggi all'interno della cellula. Il team ha coltivato queste proteine in batteri E. coli, assicurandosi con cura che le molecole di eme fossero correttamente attaccate, e le ha poi purificate per studiarne il comportamento chimico.
Gli esperimenti hanno rivelato una differenza sorprendente nel modo in cui queste due proteine funzionano. La proteina stand-alone di P. putida si comportava come un classico trasportatore di elettroni. Poteva passare facilmente tra stati ossidati e ridotti, un processo essenziale per spostare elettroni durante la respirazione, ma non legava fortemente i gas. Quando i ricercatori l'hanno esposta all'ossido di azoto, un gas tossico prodotto dai batteri e dalle cellule immunitarie, il gas si attaccava e si staccava molto rapidamente. Questo scambio rapido suggerisce che questa proteina sia probabilmente coinvolta nella chimica redox, aiutando la cellula a gestire l'energia o a proteggersi dallo stress ossidativo, piuttosto che agire come un sensore dedicato.
Al contrario, la proteina di P. azotoformans, che era collegata a una via di segnalazione, si comportava come un sofisticato sensore di gas. Quando esposta all'ossido di azoto, questa proteina tratteneva il gas per molto tempo, con la molecola che rimaneva attaccata per ore anziché per secondi. Questo rilascio lento è il segno distintivo di un sensore di alta qualità, che permette alla cella di mantenere un segnale stabile abbastanza a lungo da innescare una risposta. Inoltre, questo sensore non legava strettamente l'ossigeno, il che è fondamentale perché l'ossigeno è abbondante nell'ambiente; se il sensore avesse afferrato l'ossigeno invece dell'ossido di azoto, sarebbe stato costantemente confuso. I ricercatori hanno scoperto che la struttura di questa proteina le permetteva di legare specificamente l'ossido di azoto, nonostante si trovasse all'esterno della cellula, un luogo in cui tali sensori sono rari.
Lo studio ha anche tracciato la storia evolutiva di queste proteine. Confrontando le sequenze genetiche di migliaia di batteri, il team ha scoperto che questi sensori contenenti eme sono diffusi, ma sono particolarmente comuni in un gruppo specifico di batteri chiamato Gracilicutes. Essi propongono che queste proteine si siano evolute quando un piccolo frammento di una proteina citocromo, che trasporta naturalmente l'eme, è stato inserito in un esistente dominio sensore Cache. Questo "tinkering" evolutivo ha creato un nuovo tipo di sensore capace di operare nello spazio esterno alla cellula. I ricercatori suggeriscono che le versioni stand-alone siano venute per prime, servendo funzioni redox di base, e che la fusione di questi domini con macchine di segnalazione sia avvenuta successivamente, permettendo ai batteri di evolvere la capacità di rilevare l'ossido di azoto come un segnale ambientale specifico.
Questo lavoro amplia la nostra comprensione di come i batteri percepiscono il loro mondo. Dimostra che il confine tra diversi tipi di domini sensoriali è più fluido di quanto si pensasse. Acquisendo una molecola di eme, un normale sensore esterno può trasformarsi in un sensore di gas specializzato. Questa scoperta non solo corregge la classificazione di una vasta famiglia di proteine batteriche, ma evidenzia anche l'ingegnosità dell'evoluzione nel riutilizzare strutture esistenti per risolvere nuovi problemi. La capacità di questi batteri di percepire l'ossido di azoto potrebbe essere vitale per comprendere come interagiscono con i loro ospiti o come sopravvivono in ambienti competitivi, offrendo una nuova finestra sulla lingua chimica del mondo microbico.
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