En ny undersøgelse ledet af forskere ved Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Nara, Japan, i Science Advances rapporterer krystalstrukturen af YeeE, et membranprotein, der tillader bakterier at optage thiosulfat fra miljøet for at at syntetisere L-cystein. Strukturen afslører, at YeeE har en karakteristisk timeglasform, der resulterer i en sofistikeret mekanisme for optagelsen, der giver grundlæggende information, der i høj grad kan sænke produktionsomkostningerne for cystein i industrien.
De fleste mennesker ved, at vand er lavet af brint- og oxygenatomer, og kulstofforbindelser findes i alt liv på jorden. Men andre elementer som svovl er også uundværlige for livet, og svovlbaserede molekyler som L-cystein er essentielle for mange af vores proteiner. L-cystein er også kommercielt vigtigt, da det er meget brugt af fødevare-, kosmetik- og medicinalindustrien.
"I naturen produceres L-cystein af mikroorganismer, der opsamler uorganisk svovl i jorden. Hvis mikroorganismers sekretion og produktionseffektivitet af L-cystein kan forbedres dramatisk, vil denne procedure være overlegen i forhold til eksisterende metoder, såsom i produktionen af glutaminsyre af Corynebacterium glutamicum," siger NAIST Professor Tomoya Tsukazaki, en ekspert i strukturel biologi.
Bakterier kan optage både sulfat- og thiosulfationer fra miljøet for at syntetisere L-cystein. Effektiviteten af syntesen fra thiosulfat er højere på grund af færre kemiske reaktionstrin. For at undersøge hvilke proteiner, der er afgørende for thiosulfatoptagelsen, gennemførte forskerne en række genetiske undersøgelser og fandt YeeE.
For at forstå, hvordan YeeE fysisk tilpasser sig transporten, afslørede forskerne krystalstrukturer af YeeE, der afslørede en hidtil uset fold, der danner en timeglasform.
"Både de indre og ydre overflader af YeeE er fordybet mod midten. Vi mener, at denne form er afgørende for at starte optagelsen og leder thiosulfat," forklarer Dr. Yoshiki Tanaka, den første forfatter af undersøgelsen.
Simuleringer af molekylær dynamik antydede, at optagelsen sker ved at føre thiosulfat-ionen gennem tre nøglesteder i YeeE-strukturen. I modellen tiltrækker det første sted en thiosulfation til den positivt ladede overflade. Ved hjælp af hydrogenbindinger af S-H-S-typen sender YeeE ionen videre til de to andre steder og videre til cytoplasmaet uden selv at gennemgå nogen større konformationsændringer.
Denne mekanisme til optagelse er ret usædvanlig blandt membrantransportører ifølge Tanaka.
"Der er meget mindre bevægelse sammenlignet med transportører, der har indad- og udadvendte strukturer eller bruger vippende bundtbevægelser. YeeE er ikke strukturelt designet til at bruge disse andre mekanismer," siger han.
Tsukazaki tilføjer, at den nye mekanisme udvider vores viden om næringsstoftransport til en celle, viden, der kan udnyttes til industrielle formål.
"Forholdsvis lidt er kendt om YeeE-familien af transportproteiner. Gennem mere undersøgelse af strukturen for optagelsen og genetiske modifikationer, vil vi muligvis være i stand til kunstigt at designe 'super' YeeE, der øger L-cystein-produktiviteten via høj thiosulfatoptagelse", siger han.
