Los seres humanos generalmente ingieren la mayoría de los ácidos grasos necesarios a través de la dieta. Aún así, la biosíntesis de ácidos grasos es una vía metabólica vital. Para levaduras y bacterias es incluso indispensable.
Grandes complejos multiméricos de diferentes enzimas catalizan la biosíntesis de ácidos grasos en levaduras y organismos superiores, mientras que las contrapartes bacterianas están representadas por proteínas individuales. Aunque la arquitectura de la maquinaria biosintética de los ácidos grasos varía sustancialmente en diferentes organismos, las reacciones catalizadas y los módulos enzimáticos individuales se parecen entre sí.
Los equipos de Max Planck dirigidos por Holger Stark, jefe del Departamento de Dinámica Estructural, y Ashwin Chari, jefe del grupo de investigación de Mecanismos y Bioquímica Estructural, han resuelto la estructura tridimensional de la levadura FAS, por primera vez, en un resolución sin precedentes:1,9 angstroms, 19 millones de veces más pequeño que un milímetro.
"En biología estructural, superar la barrera de los dos angstrom es fundamental para comprender la química celular", explica el director de Max Planck. "Revelamos las partes más internas del FAS y podemos observar tanto reacciones enzimáticas como detalles químicos de cómo las proteínas interactúan con moléculas pequeñas".
La combinación de bioquímica y microscopía crioelectrónica de alta resolución fue fundamental para el éxito de los científicos de Göttingen. Para sus experimentos, utilizaron el microscopio electrónico de mayor resolución del mundo, que tiene la capacidad de resolver átomos individuales en una proteína.
Sin embargo, visualizar FAS por sí solo con alta precisión no es suficiente para comprender su función. Al igual que su contraparte humana, el FAS fúngico sintetiza ácidos grasos en siete pasos de reacción individuales mediante el uso de precursores químicos definidos de manera cíclica y repetitiva. Cada paso químico individual se realiza mediante un módulo enzimático independiente dentro de FAS.
Por lo tanto, la cadena de ácidos grasos en crecimiento debe transportarse de un módulo enzimático a otro en una secuencia eficiente y ordenada. Una lanzadera molecular, la llamada proteína portadora de acilo (ACP), lleva a cabo esta importante tarea y organiza la coreografía de las reacciones químicas necesarias para la biosíntesis de ácidos grasos.
Observando el transbordador molecular en acción
Los equipos de Stark y Chari también pudieron filmar FAS en acción y reconstruir un ciclo completo de biosíntesis de ácidos grasos. Para ello, los investigadores utilizaron una combinación de métodos para seguir al ACP en su camino a través del laberinto FAS. Inicialmente, iniciaron la biosíntesis de ácidos grasos en un tubo de ensayo y detuvieron su actividad congelando rápidamente las moléculas de FAS después de diferentes períodos de tiempo. Esto permitió detener el FAS en distintos estados de biosíntesis de ácidos grasos.
Luego, el microscopio crioelectrónico tomó imágenes de instantáneas en el ciclo FAS. "Encontrar la combinación y las cantidades precisas de sustratos para detener FAS en puntos críticos del ciclo de producción fue un desafío técnico importante", dice Chari, líder del grupo de investigación. "Solo podremos reconstruir todo el ciclo de biosíntesis de ácidos grasos si todas las transiciones relevantes se visualizan y describen con precisión mediante modelos."
El siguiente paso fue el esclarecimiento por ordenador de las estructuras tridimensionales del FAS.
Kashish Singh, primer autor del artículo publicado ahora en la revista Cell ", explica el complejo procedimiento, "desarrollamos procedimientos de procesamiento de imágenes que descomponen el FAS en compartimentos funcionales individuales. Luego clasificamos las estructuras de manera que la secuencia de imágenes represente un ciclo de biosíntesis de ácidos grasos. Con la ayuda de estas instantáneas, pudimos Finalmente podemos rastrear cómo la pequeña molécula de ACP interactúa con ciertos sitios de FAS y otras moléculas durante la producción de ácidos grasos".
Meina Neumann-Schaal, jefa de departamento de la Colección Alemana de Microorganismos y Cultivos Celulares del Instituto Leibniz, informa que esta molécula también tiene relevancia médica:"El ACP de la levadura FAS contiene una región estructural de la que carece la homóloga humana".
Esto convierte a la molécula en un punto de partida prometedor para inhibir organismos patógenos que también utilizan FAS similar a la levadura. Entre ellos se encuentran levaduras patógenas como Candida albicans, que infecta las membranas mucosas, así como micobacterias, el agente infeccioso subyacente a la tuberculosis. Dado que la tuberculosis multirresistente todavía plantea un desafío para un tratamiento exitoso, existe una necesidad urgente de nuevos inhibidores.
Otro hallazgo de la investigación podría utilizarse potencialmente para avances biotecnológicos. Los equipos de Chari y Stark han aportado pruebas de que se pueden incorporar módulos enzimáticos adicionales a FAS para cambiar su actividad. "Con una actividad normal, FAS proporciona una mezcla de ácidos grasos de cadena corta y larga. En el futuro, se podría utilizar un FAS personalizado para producir ácidos grasos con las longitudes de cadena deseadas", afirma Chari.
Estos son necesarios en la industria química para producir, entre otras cosas, cosméticos, jabones y aromas. En particular, estos también son componentes básicos de los productos farmacéuticos y los biocombustibles. Los equipos de investigación de Göttingen también ven la oportunidad de producir ácidos grasos de forma sostenible mediante el uso de fábricas biosintéticas de FAS específicamente modificadas, en lugar de extraerlos del petróleo crudo o del aceite de palma, como es el caso actualmente.
Más información: Kashish Singh et al, Reconstrucción de un ciclo de síntesis de ácidos grasos a partir de instantáneas estructurales de la proteína transportadora de acilo y del cofactor, Cell (2023). DOI:10.1016/j.cell.2023.10.009
Información de la revista: Celda
Proporcionado por la Sociedad Max Planck
