Als het moeilijk wordt, beginnen slijmzwammen te synthetiseren

August 16, 2006

Als het moeilijk wordt, beginnen slijmzwammen te synthetiseren

August 16, 2006

La Jolla, CA - In tijden van overvloed, de eencellige slijmzwam Dictyostelium discoideum leidt een eenzaam leven kauwend op bacteriën die op de bosbodem liggen. Maar deze simpele wezens kunnen heldhaftige ontwikkelingsdaden verrichten: wanneer de bacteriële voedselvoorraad opdroogt, Dictyosteliumcellen amebas werken samen met hun buren en vormen een toren met meerdere cellen die is ontworpen om de kinderen te redden.

In een aanstaande studie in Natuur Chemische Biologie, onderzoekers van het Salk Institute for Biological Studies en de Medical Research Council of Molecular Biology (MRC) in Cambridge, Engeland, gebruiken traditionele en computergebaseerde methoden om te laten zien hoe Dictyosteliumcellen synthetiseert het chemische signaal genaamd DIF-1, een afkorting van Differentiation Inducing Factor, dat nodig is voor deze ontwikkelingstransformatie.

De samenwerking, legt co-senior auteur uit Joe Noël, Ph.D, een onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute bij Salk, “toont de kracht van een gecombineerde aanpak waarbij bio-informatica, enzymologie, structurele biologie en genetica betrokken zijn om tot de kern te komen van waarom organismen natuurlijke chemicaliën gebruiken om te overleven en te gedijen in uitdagende ecosystemen. ”

Wanneer slijmzwammen verhongeren, vormen ze samen een meercellig slakachtig wezen dat zich massaal naar een warme plek voortbeweegt. Daar, als reactie op het DIF-1-signaal, staan ​​naaktslakken letterlijk op en veranderen hun cellen in een kolom van stengelcellen of sporecellen van de volgende generatie, die bovenop de kolom zitten te wachten tot de voedselvoorziening is hersteld.

Noel en Michael Austin, Ph.D., een postdoctoraal fellow in Noel's lab en co-lead auteur van de studie, hebben een voortdurende interesse in de biosynthese van diverse plant- en microbiële polyketiden door enzymen die bekend staan ​​als type III PKS's. Planten maken natuurlijke polyketideproducten zoals flavonoïden en stilbenen voor gebruik als zonnefilters, antibiotica, bloempigmenten en antioxidanten. Austin legt uit: "Plantpolyketiden worden ook steeds meer erkend als belangrijke voordelen in het menselijke dieet als gezondheidsbevorderende componenten van groene thee, rode wijn en sojabonen."

Blijkt dat DIF-1 tot dezelfde groep behoort. “Tijdens het lezen van een overzichtsartikel over de diversiteit van natuurlijk voorkomende polyketiden, realiseerden we ons dat de chemische kernstructuur van DIF-1, een belangrijk ontwikkelingssignaal in Dictyosteliumcellen, is vergelijkbaar met natuurlijke producten gemaakt door plant type III PKS's, "herinnert Austin zich.

Destijds, Dictyosteliumcellen was bezig met de sequentiebepaling van zijn genoom, en de stukjes en beetjes ruwe DNA-sequencinggegevens werden gedeponeerd in openbaar beschikbare databases. Austin herinnerde zich: "Op een avond voerde ik een bio-informatica-onderzoek uit om te zoeken naar genetisch bewijs dat het bestaan ​​van een type III PKS zou suggereren in Dictyosteliumcellen.” Verschillende computerprogramma's gebruiken om te zoeken, samen te stellen en te vertalen in silicium Austin reconstrueerde twee type III PKS-achtige gensequenties en vond ook een verrassing.

Onverwacht onthulden deze afgeleide genetische blauwdrukken voor type III PKS's elk Dictyosteliumcellen type III PKS om te worden gefuseerd met andere enzymatisch actieve eiwitdomeinen. Deze nooit eerder geziene hybride opstelling werkt als een zeer efficiënte emmerbrigade die polyketidemoleculen synthetiseert in slijmzwamcellen.

"De natuur heeft de weg geëffend om deze nieuwe domeinindeling te exploiteren om efficiëntere manieren te ontwikkelen om gemodificeerde polyketiden voor menselijk gebruik te maken", zei Austin.

Terwijl ze naar de bank gingen, is de laboratoriummanager van Austin en Noel, Marianne Bowman, geïsoleerd Dictyosteliumcellen DNA dat codeert voor de type III PKS-domeinen en niet alleen hun structuur bepaalde, die inderdaad op een planten-PKS leek, maar toonde ook aan dat een van hen, Steely2 genaamd, de chemische structuur van DIF-1 in een reageerbuis maakte. Het enige dat overbleef was om te bewijzen dat slijmzwammen zelf het nieuw ontdekte enzym gebruikten om DIF-1 te maken.

Daarvoor wendden Noel en Austin zich tot co-senior auteur Robert Kay, Ph.D., a Dictyosteliumcellen cellulaire differentiatie-expert en groepsleider bij het MRC. “We schreven een paper en stuurden een versie naar Rob Kay en zeiden: 'Je kent ons niet, maar dit is wat we doen. Biochemisch hebben we de machine geïdentificeerd die de essentiële voorloper vormt voor het bioactieve DIF-1-molecuul.' “

Kay antwoordde dat hij en co-hoofdauteur Tamao Saito, PhD., een wetenschapper op sabbatical in zijn laboratorium, zich ook hadden gericht op deze ongebruikelijke type III PKS-genen na de onlangs voltooide eindmontage en annotatie van de gehele Dictyosteliumcellen genoom, dat werd uitgevoerd door een wereldwijde samenwerking van vele wetenschappers, waaronder de Kay-groep.

Saito en Kay werkten onafhankelijk van elkaar en hadden de Dictyosteliumcellen gen voor Steely2. Niet alleen konden de resulterende "gebrekkige" slijmzwammen DIF-1 niet maken, maar ze konden ook de reddingstoren niet bouwen, wat precies de biologische bevestiging was die het Noel-lab wilde horen. De twee laboratoria hebben gegevens gebundeld en publiceren hun werk nu als één, zeer compleet verhaal, terwijl ze blijven samenwerken aan de chemische diversiteit die wordt aangetroffen in dit fascinerende organisme dat rondkruipt op de bosbodem.

Noel, die professor is in het Jack H. Skirball Center for Chemical Biology and Proteomics in Salk, zegt: "Dit is een prachtig voorbeeld van hoe ego's aan de kant worden geschoven over wie wat deed en in plaats daarvan, als een wetenschappelijke gemeenschap, groepen samenkomen om beantwoorden van een fundamentele vraag in de biologie. Tijdens het proces ontdekten we gezamenlijk een efficiënte chemische fabriek in Dicytostelium cellen die ons informeren over hoe soortgelijke systemen die in andere organismen worden gebruikt, kunnen worden aangepast om belangrijke medicijnen uit de natuur te produceren.

Voor Noel is het probleem om biocomplexiteit te begrijpen op een niveau dat traditioneel wordt genegeerd: de overvloed aan natuurlijke chemicaliën die overal in de natuur voorkomen. Organismen gebruiken chemicaliën als middel om met hun omgeving in wisselwerking te treden en de mensheid heeft dit feit uitgebuit om de overgrote meerderheid van de geneesmiddelen te ontdekken die tegenwoordig worden gebruikt om ziekten te behandelen. "De belangrijkste fundamentele vraag in ons geval is waarom organismen chemicaliën maken, welke rol deze moleculen spelen in de natuur en hoe de cellulaire machinerie die wordt gebruikt om ze gedurende miljoenen jaren te laten evolueren, nieuwe manieren biedt voor de gastheerorganismen om te overleven en te gedijen. . Het begrijpen van de diversiteit van natuurlijke chemicaliën en de machines die ze produceren, geeft ons een venster om terug te kijken in de tijd en te begrijpen hoe organismen op moleculair niveau evolueren.”

Steven Haydock, MD, die samenwerkte met Kay, Atsushi Kato, die samen met Saito nu aan de Hokkaido University in Sapporo, Japan, en Bradley Moore, PhD., aan het Scripps Institute of Oceanography, droegen ook bij aan de studie.

Het Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Californië, is een onafhankelijke non-profitorganisatie die zich inzet voor fundamentele ontdekkingen in de levenswetenschappen, de verbetering van de menselijke gezondheid en de opleiding van toekomstige generaties onderzoekers. Jonas Salk, MD, wiens poliovaccin de verlammende ziekte poliomyelitis in 1955 vrijwel had uitgeroeid, opende het Instituut in 1965 met een schenking van land van de stad San Diego en de financiële steun van de March of Dimes.