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Jun 21, 2023

La protéine Vertex PduN ajuste les performances de la voie encapsulée en dictant la morphologie du métabolosome bactérien

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3746 (2022) Citer cet article 2584 Accès 5 Citations 9 Détails de Altmetric Metrics L'ingénierie de l'organisation subcellulaire chez les microbes montre d'excellents résultats

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3746 (2022) Citer cet article

2584 Accès

5 citations

9 Altmétrique

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L'ingénierie de l'organisation subcellulaire chez les microbes est très prometteuse pour résoudre les goulots d'étranglement dans les efforts d'ingénierie métabolique ; cependant, il manque des règles guidant le choix d’une stratégie ou d’une plateforme organisationnelle. Ici, nous étudions la morphologie des compartiments en tant que facteur de médiation des performances des voies encapsulées. En utilisant le système de microcompartiment d’utilisation du 1,2-propanediol (Pdu MCP) de Salmonella enterica sérotype Typhimurium LT2, nous constatons que nous pouvons faire passer la morphologie de ce nanoréacteur protéique de polyédrique à tubulaire en supprimant la protéine de sommet PduN. L'analyse de la fonction métabolique entre ces microtubes Pdu (MT) montre qu'ils fournissent une barrière diffusionnelle capable de protéger le cytosol d'une voie toxique intermédiaire, similaire aux MCP natifs. Cependant, la modélisation cinétique suggère que les différents rapports surface/volume des structures MCP et MT modifient les performances de la voie encapsulée. Enfin, nous rapportons un test basé sur la microscopie qui permet une évaluation rapide de la formation de Pdu MT afin de permettre de futurs efforts d'ingénierie sur ces structures.

L’organisation spatiale des processus biologiques est essentielle à la vie de nombreux organismes, des eucaryotes multicellulaires aux procaryotes unicellulaires. Autrefois considérées comme dépourvues d’organisation subcellulaire, les bactéries utilisent toute une série de stratégies pour séparer des processus spécifiques au sein de la cellule. Un exemple est celui des microcompartiments bactériens (MCP), qui sont des organites qui renferment des ensembles spécifiques d'enzymes dans une enveloppe protéique1,2. Les gènes associés aux MCP se trouvent dans 45 phylums bactériens3,4 et sont classés selon les segments de la voie métabolique qu'ils encapsulent. Au niveau le plus élevé, les MCP sont classés en carboxysomes ou en métabolosomes selon qu'ils contiennent respectivement des voies impliquées dans les processus anabolisants ou cataboliques1. Les carboxysomes aident de nombreuses bactéries fixatrices de carbone en augmentant la concentration de CO2 à proximité de l'enzyme carboxylante ribulose bisphosphate carboxylase/oxygénase (RuBisCO)5,6. Les métabolosomes, quant à eux, contribuent au métabolisme d’un large éventail de substrats et encapsulent ainsi de nombreuses voies chimiques différentes ; cependant, ces voies partagent généralement une caractéristique unificatrice consistant à passer par un intermédiaire aldéhyde toxique7,8. On pense que la séquestration de cet intermédiaire toxique facilite le métabolisme de sources de carbone de niche telles que le 1,2-propanediol et l’éthanolamine, offrant ainsi un avantage concurrentiel en matière de croissance aux agents pathogènes entériques qui hébergent souvent des métabolosomes9,10.

Les MCP représentent des cibles d’ingénierie attrayantes dans diverses applications, depuis la bioproduction, où l’encapsulation d’enzymes hétérologues pourrait améliorer les performances de la voie11, jusqu’au développement d’antibiotiques, où la perturbation de ces structures MCP pourrait éliminer un avantage concurrentiel en matière de croissance9. Cependant, les métabolosomes en particulier présentent une diversité de forme et de taille, et on ne comprend pas bien comment ces caractéristiques sont liées à la fonction4,12,13,14,15. Divers domaines d'ingénierie, de la catalyse16 à l'administration de médicaments17, ont illustré l'importance de la forme et de la taille sur les performances des nanomatériaux. La pertinence de ces fonctionnalités n’a pas encore été étudiée de manière significative dans les systèmes MCP.

Le MCP d'utilisation du 1,2-propanediol (Pdu) est un métabolosome modèle qui facilite la dégradation du 1,2-propanediol18. Les MCP Pdu existent dans diverses bactéries3,4,10, et la voie encapsulée10,18,19 ainsi que la structure20 de ces métabolosomes ont été étudiées. L'opéron pdu contient 21 gènes codant pour les protéines qui composent la coque Pdu MCP ainsi que pour la voie principale et les enzymes de recyclage des cofacteurs (Fig. 1). Huit protéines composent la coque du microcompartiment Pdu (MCP) : PduA, PduB, PduB', PduJ, PduK, PduN, PduT et PduU21,22. Parmi ces huit protéines, sept (PduABB'JKTU) contiennent un ou plusieurs domaines pfam00936 du microcompartiment bactérien (BMC) et, en tant que tels, forment les multimères hexagonaux qui s'assemblent dans les facettes et les bords du microcompartiment. ,27. pduN est le seul gène pfam03319 du sommet du microcompartiment bactérien (BMV) dans l'opéron pdu et devrait donc former des pentamères qui coiffent les sommets du Pdu MCP15,28,29,30,31,32. PduN est un composant de faible abondance de la coquille MCP, mais il est essentiel à la formation de structures de compartiments bien formées . Bien que des études antérieures aient montré que des structures aberrantes se formaient en l'absence de PduN, la fonctionnalité et la nature de ces structures n'ont pas encore été explorées en détail. En outre, des études sur les alpha- et bêta-carboxysomes ont montré qu'une fermeture stricte de l'enveloppe est nécessaire pour que ces microcompartiments confèrent leurs avantages de croissance biologiquement pertinents et que cela ne peut être obtenu en l'absence de protéines pentamères de l'enveloppe du sommet comme PduN34,35. On ne sait pas exactement quelle est l’importance de cette fermeture stricte pour les systèmes métabolosomaux tels que le Pdu MCP, car des études de modélisation ont montré qu’une barrière de diffusion modérée entre le cytosol et un noyau enzymatique est suffisante pour médier l’accumulation intermédiaire toxique . Des travaux antérieurs ont suggéré l'importance différente de diverses protéines de coque, y compris PduN, dans la fonction Pdu MCP 22 ; mais des questions demeurent quant à la manière précise dont la morphologie du MCP contrôle les performances de la voie Pdu.