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Jun 21, 2023

頂点タンパク質 PduN は細菌のメタボロソーム形態を決定することでカプセル化された経路のパフォーマンスを調整する

Nature Communications volume 13、記事番号: 3746 (2022) この記事を引用する 2584 アクセス数 5 引用数 9 Altmetric Metrics の詳細 微生物における細胞内組織のエンジニアリングが素晴らしいことを示す

Nature Communications volume 13、記事番号: 3746 (2022) この記事を引用

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5 引用

9 オルトメトリック

メトリクスの詳細

微生物の細胞内組織を工学的に操作することは、代謝工学の取り組みにおけるボトルネックに対処する上で大きな可能性を示しています。 しかし、組織の戦略やプラットフォームの選択をガイドするルールが不足しています。 ここでは、カプセル化された経路のパフォーマンスを仲介する要因としてコンパートメントの形態を研究します。 我々は、サルモネラ・エンテリカ血清型ネズミチフス菌LT2由来の1,2-プロパンジオール利用マイクロコンパートメント（Pdu MCP）システムを用いて、頂点タンパク質PduNを除去することで、このタンパク質ナノリアクターの形態を多面体から管状に移行できることを発見した。 これらの Pdu マイクロチューブ (MT) 間の代謝機能の分析により、これらの Pdu マイクロチューブ (MT) は、天然の MCP と同様に、毒性経路中間体からサイトゾルを保護できる拡散障壁を提供することが示されています。 しかし、速度論的モデリングは、MCP 構造と MT 構造の表面積と体積の比率が異なると、カプセル化された経路の性能が変化することを示唆しています。 最後に、我々は、これらの構造に対する将来の工学的取り組みを可能にするために、Pdu MT形成の迅速な評価を可能にする顕微鏡ベースのアッセイを報告します。

生物学的プロセスの空間的構成は、多細胞真核生物から単細胞原核生物に至るまで、多くの生物の生命にとって不可欠です。 かつては細胞内組織が欠けていると考えられていましたが、細菌は細胞内の特定のプロセスを分離するためにさまざまな戦略を利用します。 そのような例の 1 つは、細菌のマイクロコンパートメント (MCP) です。MCP は、特定の酵素セットをタンパク質の殻に収める細胞小器官です 1,2。 MCP に関連する遺伝子は 45 の細菌門に存在し 3,4、それらがカプセル化する代謝経路セグメントによって分類されます。 最も高いレベルでは、MCP は、それぞれ同化プロセスまたは異化プロセスに関与する経路を包含するかどうかに基づいて、カルボキシソームまたはメタボロソームのいずれかに分類されます。 カルボキシソームは、カルボキシル化酵素リブロース二リン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ (RuBisCO) の近くの CO2 濃度を増加させることで、多くの炭素固定細菌を助けます 5,6。 一方、メタボロソームは幅広い基質の代謝を助け、多くの異なる経路化学をカプセル化します。 ただし、これらの経路は通常、有毒なアルデヒド中間体を通過するという共通の特徴を共有しています7,8。 この有毒な中間体の隔離は、1,2-プロパンジオールやエタノールアミンなどのニッチな炭素源の代謝を助け、メタボロソームを保有することが多い腸内病原体に競争力のある増殖上の利点をもたらすと考えられています9,10。

MCP は、異種酵素のカプセル化によって経路のパフォーマンスが向上する可能性がある生物生産 11 から、これらの MCP 構造の破壊により競争上の成​​長上の利点が失われる可能性がある抗生物質の開発まで、さまざまな用途において魅力的な工学的標的となります 9。 しかし、特にメタボロソームは形状とサイズの多様性を示し、これらの特徴が機能にどのように関連しているかは十分に理解されていません4、12、13、14、15。 触媒 16 から薬物送達 17 まで、さまざまな工学分野で、ナノ材料の性能に対する形状とサイズの重要性が実証されています。 これらの機能の関連性は、MCP システムではまだ有意義に調査されていません。

1,2-プロパンジオール利用率 (Pdu) MCP は、1,2-プロパンジオールの分解を助けるモデル メタボロソームです18。 Pdu MCP はさまざまな細菌に存在し 3、4、10、カプセル化された経路 10、18、19 とこれらのメタボロソームの構造 20 の両方が研究されています。 pdu オペロンには、Pdu MCP シェルを構成するタンパク質、主要な経路および補因子リサイクリング酵素をコードする 21 個の遺伝子が含まれています (図 1)。 Pdu マイクロコンパートメント (MCP) シェルは、PduA、PduB、PduB'、PduJ、PduK、PduN、PduT、および PduU の 8 つのタンパク質で構成されています21、22。 これら 8 つのタンパク質のうち、7 つ（PduABB'JKTU）には 1 つ以上の細菌微小区画（BMC）pfam00936 ドメインが含まれており、そのため、微小区画のファセットとエッジに集合する六角形の多量体を形成します22、23、24、25、26。 、27。 pduN は、pdu オペロン内の唯一の細菌微小区画頂点 (BMV) pfam03319 遺伝子であるため、Pdu MCP15、28、29、30、31、32 の頂点をキャップする五量体を形成すると予想されます。 PduN は MCP シェルの存在量が少ない成分ですが、適切に形成されたコンパートメント構造の形成に不可欠です 21、22、33。 これまでの研究では、PduN が存在しない場合に異常な構造が形成されることが示されていますが、これらの構造の機能と性質はまだ詳細に調査されていません。 さらに、α-カルボキシソームとβ-カルボキシソームの両方に関する研究では、これらの微小区画が生物学的に適切な成長利益をもたらすには殻の厳密な閉鎖が必要であり、これはPduN34,35のような五量体頂点殻タンパク質が存在しない場合には達成できないことが示された。 モデリング研究では、サイトゾルと酵素コアの間の適度な拡散障壁が有毒な中間体の蓄積を媒介するのに十分であることが示されているため、この厳密な閉鎖が Pdu MCP のようなメタボロソーム システムにとってどれほど重要であるかは不明です 36。 これまでの研究では、Pdu MCP 機能における PduN を含むさまざまなシェルタンパク質の重要性が異なることが示唆されています 22。 しかし、MCPの形態がPdu経路のパフォーマンスを正確にどのように制御するかについては疑問が残っています。