I det här blogginlägget kommer jag att prata lite om hur protein scaffolding kan vara användbara för att kontrollera flödet av metaboliter.
Cellers metabolism är i huvudsak ett stort nätverk med kopplade kemiska reaktioner som (mestadels) katalyseras av enzymer. Evolutionen har varit mycket bra på att balansera när och var en reaktion sker för att optimera de olika processer som en cell behöver för att fungera. Detta inkluderar att omvandla näringsämnen till energi, producera byggstenskemikalier som behövs för tillväxt och at motstå yttre stress.
Metabolismen är vid behov en dynamisk process som kontinuerligt anpassar sig som svar på förändringar i cellens miljö. Denna dynamik sker dock inte alltid lika effektivt i konstruerade organismer. De enzymer vi introducerar är ofta främmande för värden och passar snyggt in i de regleringsmekanismer som utvecklats av organismen. Ibland tömmer de främmande enzymerna värden för de föreningar som behövs för att hålla sig friska.
Det är också möjligt att vissa funktioner som cellen utför är onödiga för syntetiska ändamål. Som att behandla produkten (som vi vill extrahera) som en metabolit, omvandla den till en annan förening eller bryta ner den i de nya byggstenarna. Några av dessa system som kan vara kritiska för att cellen ska överleva i sin naturliga livsmiljö kanske inte ens är nödvändig i den strikt kontrollerade laboratoriemiljön eller fabriksmiljön där vi odlar cellen.
Att förstå och kontrollera när, var och hur mycket en cell använder ett enzym är nyckeln till att få den att göra det vi vill att den ska göra.
Ett metaboliskt flöde kan beskrivas som molekylernas omsättningshastighet genom en metabolisk väg (5). I en given väg interagerar ett begränsat antal enzymer med en ändlig pool av metaboliter, inuti ett begränsad utrymme. Att upprätthålla de rätta flöderna är avgörande för att reglera den metaboliska aktiviteten under olika förhållanden, till exempel när vi vill maximera titer, ”The smart pants” ordet för koncentration, av en viss förening. En användbar analog presenteras av Dueber och kollegor. Föreställ dig en rörledning, där varje segment består av rör som varierar i storlek. I naturen bibehålls flödet genom vart och ett av dessa segment precis för att leverera den specifika koncentration av produkter som cellen behöver under ett givet tillstånd. Men i en konstruerad organism kan de främmande enzymerna antingen producera för mycket eller för lite, och effektivt införa flaskhalsar i den övergripande vägen. Potentiellt uppbyggnad av mellanprodukter (som ett rör som läcker på grund av för mycket tryck!) kan vara en börda, eller till och med visa sig vara giftig, om cellen inte kan hantera de ökande koncentrationerna.
Vad är protein scaffolds?
Samlokalisering av enzymer genom protein scaffolds kan hjälpa oss att finjustera en hel väg genom att hålla enzymer fixerade i ett utrymme och därmed hjälpa till att reglera deras stökiometri.
Byggnadsproteiner är vanliga och består av flera interaktionsmoduler mellan protein och protein. Varje protein är sammansmält med en bindande domän som kan interagera med en liganddomän på scaffolden. Några av dessa har konstruerats för att vara lämpliga för syntetisk biologi. (1-4) Detta gör att ställningen kan sammanföra två eller flera proteiner i närheten. Detta kan sedan användas för att antingen koncentrera samma typ av enzymer på samma plats (samlokalisera), eller möjligen möjliggöra en snabbare omvandling av metaboliter genom att snabbt jonglera mellanprodukter mellan olika enzymer.
Medan det finns mer att sägas om ämne, hoppas jag att detta blogginlägget har väckt läsarnas intresse för att använda protein scaffolds till sina egna biologiprojekt inom syntetiska. Vilka användningsområden ser du för protein scaffolds?
(Jag rekommenderar starkt en nyfiken läsare att undersöka hur de används för att reglera signaler!) (6, 7)
Referenser:
- Synthetic protein scaffolds provide modular control over metabolic flux: https://www.nature.com/articles/nbt.1557
- Synthetic scaffolds for pathway enhancement: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0958166915001081
- Metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae for efficient production of glucaric acid at high titer: https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12934-018-0914-y
- Use of modular, synthetic scaffolds for improved production of glucaric acid in engineered E. coli: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1096717610000042
- Basic concepts and principles of stoichiometric modeling of metabolic networks: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4671265/
- Reprogramming Control of an Allosteric Signaling Switch Through Modular Recombination: https://science.sciencemag.org/content/301/5641/1904.long
- Scaffolding Proteins: Not Such Innocent Bystanders: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982213005654
