La mayoría de la gente no piensa mucho en el zinc. Pero todos los seres vivos necesitan zinc para sobrevivir. Este oligoelemento ayuda a que muchas proteínas se plieguen en las formas correctas para hacer su trabajo. Y en proteínas conocidas como enzimas, el zinc ayuda a catalizar reacciones químicas, incluidas muchas importantes para proporcionar energía a las células. Si no hay zinc, las personas, las mascotas y las plantas no prosperan.

Esa es una de las razones por las que los biólogos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. están tan interesados ​​en este elemento.

"Estamos buscando formas de cultivar plantas bioenergéticas, ya sean plantas que produzcan biocombustibles o cuya biomasa se pueda convertir en combustible, y haciéndolo en tierras que no son aptas para cultivar alimentos", dijo el biólogo de Brookhaven Lab Crysten Blaby, quien también tiene un nombramiento adjunto en la Universidad de Stony Brook. "Entonces, estamos interesados ​​en las estrategias que usa la naturaleza para sobrevivir cuando faltan zinc y otros micronutrientes".

En un artículo recién publicado en la revista Cell Reports, Blaby y sus colegas describen una de esas estrategias:una proteína llamada "acompañante" que lleva zinc donde se necesita, lo que podría ser especialmente importante cuando el acceso al zinc es limitado. Aunque los científicos, incluido Blaby, han sospechado durante mucho tiempo la existencia de una chaperona de zinc, la nueva investigación proporciona la primera evidencia definitiva al identificar un "destino" para sus entregas.

A través de una serie de ensayos bioquímicos y experimentos genéticos, el equipo identificó una proteína dependiente de zinc que no puede funcionar correctamente sin la chaperona. Esa proteína, llamada MAP1, existe en todas las especies, desde levaduras y ratones hasta plantas y personas. Eso significa que los hallazgos tienen relevancia no solo para las plantas, sino también para la salud de los humanos, donde la deficiencia de zinc conduce a deficiencias en el crecimiento y el desarrollo.

"Nuestros objetivos están en la sustentabilidad de cultivos bioenergéticos, pero debido a que las proteínas que estamos estudiando se encuentran en casi todas partes, nuestra investigación tiene aplicaciones que son muy amplias", dijo Blaby.

Rastreando un descubrimiento

Otros metales traza, como el níquel y el cobre, son transportados por las células por chaperones porque pueden ser tóxicos. Los acompañantes evitan que los metales reactivos participen en "asociaciones no deseadas". Las reacciones entre algunos metales traza y el oxígeno generan radicales libres que dañan las células. Pero el zinc no parece tener propensión a relaciones tan peligrosas.

"El zinc es un ion metálico relativamente inofensivo. Dado que no reacciona con el oxígeno para crear especies reactivas de oxígeno, pensamos que tal vez simplemente se difunde para llegar a donde necesita ir sin necesidad de un chaperón", dijo Blaby. Pero eso no impidió que los científicos buscaran uno.

Cuando Blaby era estudiante de posgrado en la Universidad de Florida a principios de la década de 2000, trabajó con la profesora Valérie de Crécy-Lagard, quien predijo por primera vez que los miembros de una familia de proteínas llamada CobW eran las chaperonas de zinc que faltaban. "Mi investigación como parte de ese grupo brindó evidencia de que, si existe, probablemente era una proteína de esta familia. Pero para demostrar que funciona como chaperona de zinc, necesitábamos identificar el destino:la proteína a la que estaba entregando zinc, dijo Blaby.

Muchos grupos trabajaron en ese desafío durante años, pero aún no pudieron encontrar y probar el objetivo del supuesto chaperón.

La minería de datos arroja pistas

Avance rápido hasta cuando Blaby comenzó a construir su grupo de investigación en Brookhaven en 2016. Mientras extraía datos sobre interacciones entre proteínas que se habían depositado en bases de datos de búsqueda durante la última década, encontró evidencia de una interacción entre una proteína en la supuesta familia de chaperonas de zinc y una proteína llamada metionina aminopeptidasa o MAP1. Y encontró la interacción tanto en la levadura como en los humanos.

"Cada vez que ves una interacción de proteína conservada como esa, en organismos muy diferentes, generalmente significa que es importante", dijo Blaby.

Resulta que MAP1 modifica muchas proteínas en la célula, en casi todas las especies. Si MAP1 no funciona, las proteínas no modificadas tienen problemas. Y MAP1 depende del zinc para funcionar.

"Las piezas estaban empezando a juntarse", dijo Blaby. "Luego comenzó la verdadera diversión, que fue probar nuestra hipótesis muy específica:que esta proteína que llamamos ZNG1 (pronunciado zing 1) es la chaperona que lleva el zinc a MAP1".

Blaby trabajó con los posdoctorados de Brookhaven, Miriam Pasquini y Nicolas Grosjean, quienes diseñaron y realizaron una serie de experimentos para resolver el caso. Los dos comparten la primera autoría del artículo.

"Este fue un gran equipo para reunir para hacer tanto el in vivo y en in vitro se necesitaba trabajo para finalmente proporcionar evidencia experimental de la función de estas proteínas", dijo Blaby.

La prueba está en el matraz

Primero, utilizando células de levadura de rápido crecimiento, Grosjean eliminó el gen que le dice a las células cómo producir ZNG1. Si esta proteína es la chaperona que entrega zinc a MAP1, entonces MAP1 no debería funcionar correctamente en las células inactivadas.

Y cuando falta zinc en el medio ambiente, el defecto en la función MAP1 debería empeorar.

"Cuando muchas proteínas compiten por el zinc limitado, esa es una situación en la que, si hay un chaperón, podría ayudar a elegir cuál de las muchas proteínas dependientes de zinc debería obtener este valioso recurso", explicó Grosjean. En otras palabras, cuando el zinc es limitado, la ausencia de la chaperona se debe sentir más.

Los resultados fueron tal como se esperaba:las células sin el gen para ZNG1 tenían defectos en la actividad de MAP1 y el nivel de defecto aumentó en el entorno con bajo contenido de zinc.

A continuación, Pasquini dirigió un proyecto para purificar las dos proteínas, ZNG1 y MAP1, de forma aislada. Primero, demostró que cuando no hay zinc presente, como se esperaba, MAP1 por sí solo no funciona.

Luego mezcló MAP1 con ZNG1 que había sido cargado con zinc. Pero de nuevo, no hubo actividad de MAP1. Los científicos razonaron que debía faltar algo más.

A través de una serie de experimentos, demostraron que es necesario activar ZNG1 para entregar su carga de zinc. Esa activación proviene de una molécula de energía conocida como GTP.

"Lo que creemos que sucede es que la chaperona se une a GTP y tiene una determinada conformación o forma", dijo Pasquini. "Cuando libera la energía de GTP, cambia de forma. Creemos que el cambio conformacional podría ser importante para unir y liberar zinc".

Cuando Pasquini agregó GTP a la mezcla de ZNG1 y MAP1 cargados con zinc, finalmente observó la actividad de MAP1.

"Es solo después de que agregas la molécula de energía que ves evidencia de que el zinc se transfiere a MAP1", dijo.

Juntos, estos experimentos proporcionaron la evidencia de que la proteína sospechosa desde hace mucho tiempo ahora conocida como ZNG1 funciona como chaperona para entregar zinc a MAP1.

Implicaciones a mayor escala

El equipo también colaboró ​​con científicos del Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, en experimentos de "proteómica" a mayor escala. Y trabajaron con Estella Yee en la fuente de luz de sincrotrón nacional II (NSLS-II) de Brookhaven Lab, otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, en estudios de modelado computacional para comprender el complejo proteico que se forma entre la chaperona de zinc y MAP1.

"Nuestra in vivo y in vitro los experimentos estaban mirando a sólo un par de jugadores. Lo que la proteómica nos permitió hacer fue ver cómo la eliminación del gen de la zinc transferasa afecta a todos las proteínas y estudiar el impacto que esos jugadores tienen en el resto de la célula y el organismo", dijo Blaby.

Uno de los principales impactos es que las células ya no pueden adaptarse a niveles bajos de zinc.

"Las células han evolucionado de modo que cuando las concentraciones de zinc son demasiado bajas, un grupo de genes se activa para responder a este cambio de circunstancias. Pero cuando te deshaces de ZNG1, muchos de esos genes permanecen desactivados", dijo Blaby.

"Ahora estamos construyendo sobre este trabajo fundamental completado en el organismo modelo de levadura de rápido crecimiento para comprender cómo estas proteínas y sus funciones se conservan en cultivos bioenergéticos", dijo Blaby. "Este trabajo arroja luz sobre una estrategia previamente desconocida que utilizan las plantas para prosperar cuando el zinc es limitado en el suelo. Comprender tales estrategias puede ayudarnos a idear formas de optimizar la productividad de los cultivos y lograr una bioenergía ambientalmente sostenible".

Pasquini agregó:"La posibilidad de que las plantas adquieran resiliencia en suelos con bajo contenido de zinc también significa que podríamos explotar tierras no cultivables para cultivos bioenergéticos, dejando suelos fértiles dedicados a otros fines agrícolas. Empujando a las células vegetales a producir más ZNG1 posiblemente permitiría un crecimiento superior en tierras marginales empobrecidas en zinc". + Explora más

Un estudio identifica la primera 'acompañante' celular para el zinc