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Il complesso bienzimatico della triptofano sintasi (TS) (α2β2)è un enzima allosterico, catalizzando gli ultimi due passaggi nella biosintesi dell'amminoacido L-triptofano in batteri, piante e funghi1,2,3. Bacterium Salmonella enterica serovar typhimurium (St) provoca una grave infezione gastrointestinale nell'uomo e in altri animali. Poiché gli esseri umani e gli animali superiori non hanno TS (EC 4.2.1.20), l'inibizione del complesso S. typhimurium α2β2 TS (α2β2StTS) è stata esplorata come potenziale bersaglio farmacologico per il trattamento della criptosporidiosi e della tubercolosi4, genitali e infezioni oculari5e per il potenziale utilizzo di erbicidi in agricoltura6. La α-subunità catalizza la scissione aldolitica dell'indolo-3-glicerolo-fosfato (IGP) a gliceraldeide-3-fosfato (GAP) e indolo, attraverso la formazione di un intermedio tautomero indolenino e successivamente scissione del legame carbonio-carbonio per produrre GAP e indolo3,6. Il sito β-catalitico contiene una molecola cofattore piridossiale 5′-fosfato (PLP) legata a β-Lys87 tramite una base di Schiff, che funziona come un dissipatore di elettroni nel corso delle reazioni all'enzima β-subunità3,7. Il sito β catalizza la sostituzione dell'idrossile della catena laterale L-Serina con l'indolo per dare L-triptofano e una molecola d'acqua in una reazione PLP-dipendente. St TS funge da modello di lunga data per lo studio della canalizzazione del substrato e della comunicazione allosterica all'interno di complessi multienzimatici2,3. La comunicazione allosterica bidirezionale tra le subunità α e β di TS è necessaria per sincronizzare le fasi catalitiche e prevenire il rilascio di indolo durante la sintesi di L-triptofano3. Per estendere questo sforzo, abbiamo preparato diversi mutanti (β-Gln114Ala, β-Lys167Thr e β-Ser377Ala) per mutazione a punto singolo da utilizzare in ulteriori esplorazioni della relazione tra struttura enzimatica, meccanismo e funzione nel sito catalitico della subunità β StTS.
Una ricerca dettagliata sul meccanismo catalitico di α2β2StTS è stata avviata dal gruppo di ricerca di Edith W. Miles. I primi studi con il complesso nativo di Escherichia coli α2β2 TS si sono concentrati sulla purificazione e caratterizzazione della α-subunitàisolata 8,9,isolata β-subunità10,11 e sulla ricostituzione del complesso TS α 2β2 dalle subunitàisolate 12. La purificazione è stata effettuata mediante precipitazione del solfato di ammonio, dialisi del campione, cromatografia DEAE-Sephadex, dialisi e un secondo round cromatografico su una colonna DEAE-Sephadex12. In un altro protocollo, la purificazione dello stesso complesso è stata migliorata caricando il lisato cellulare chiarificato su una colonna DEAE-Sephadex seguita da una fase cromatografica su una colonna Sepharose 4B, precipitazione del solfato di ammonio e dialisi13. Entrambi i protocolli di purificazione durano 4-5 giorni. Escherichia coli αcomplesso TS 2β2 cristallizzato, ma i cristalli non erano adatti per la diffrazione a raggi X in quel momento.
In un nuovo studio, le forme ricombinanti e selvatiche di S. typhimurium α2β2 TS complesso sono state purificate e cristallizzate14,15. Il complesso α2β2StTS ricombinante è stato sovraespresso nel ceppo CB149 di E. coli che trasporta il vettore di espressione pEBA-10. Sono stati riportati dati iniziali di cristallizzazione e diffrazione a raggi X e analisi del complesso α2β2StTS14. Tuttavia, l'ago lungo e sottile come α2β2StTS cristalli ha compromesso gli studi strutturali. Nel tentativo di raccogliere migliori dati di diffrazione a raggi X, è stato descritto un altro protocollo di purificazione per purificare il tipo selvatico e le forme mutanti del complesso α2β2StTS15. La purificazione è stata effettuata con una precipitazione iniziale utilizzando spermina e PEG 8.000 nel lisato cellulare chiarificato e un grande precipitato voluminoso è stato rimosso mediante centrifugazione. La frazione surnatante contenente elevate quantità di α2β2StTS è stata conservata per 16-48 ore a 4 °C fino a quando i cristalli gialli non sono precipitati. I cristalli sono stati lavati e ampiamente dializzati contro diversi buffer. Il complesso proteico è stato ricristallizzato in tampone contenente solfato di ammonio e dializzato15. Sebbene la cristallizzazione delle proteine dipenda dalle concentrazioni di proteine e precipitanti in soluzione, è difficile monitorare, prevedere e riprodurre la purificazione per altre forme mutanti di αcomplesso TS 2β2Stin soluzione. Questo protocollo ha il vantaggio di non utilizzare alcun metodo cromatografico; tuttavia, gli svantaggi sono il lungo tempo di purificazione necessario per cristallizzare, dializzare e ricristallizzare, in genere richiedendo 5-7 giorni. Per ottenere cristalli adatti alla raccolta di dati a raggi X, sono state valutate più di 600 condizioni di cristallizzazione utilizzando una combinazione e variazione di concentrazione proteica, temperatura, precipitanti (PEG 4.000, 6.000 e 8.000) e additivi (CaCl2,MnCl2,ZnCl 2,cadaverina, putrescina, spermina o spermidina)15. I cristalli avevano una forma cristallina migliore e crescevano più velocemente in condizioni contenenti il 12% di PEG 8.000 e 2 mM di spermina. La cristallizzazione era più favorevole a 25 °C piuttosto che a 4, 30 o 42 °C e cresceva fino alle dimensioni massime entro 3 giornie 15. Diverse strutture cristalline α2β2StTS sono state segnalate in quel momento (1996-1999)16,17,18,19,20,21 e molte altre strutture sono state pubblicate fino ad oggi.
Qui, lo scopo principale è quello di presentare protocolli alternativi per purificare la triptofano sintasi e ottimizzare la cristallizzazione delle proteine. Il presente lavoro mostra miglioramenti significativi per purificare la subunità α isolata di tipo selvatico (αStTS), la subunità β isolata (βStTS), ricostituita α complessoTS 2β2Stdalle subunità isolate e forme wild type e mutanti del complesso α2β2StTS. I vantaggi rispetto ai protocolli passati sono considerevoli poiché il tempo di purificazione è stato ridotto in modo significativo e la cristallizzazione e la crioprotezione sono state ottimizzate. Le forme mutanti del complesso α 2 β2StTS progettate in questo lavoro si sono cristallizzate vicino allastessacondizione utilizzata per la forma wild type. Tuttavia, l'ottimizzazione della cristallizzazione fine era necessaria per ottenere grandi cristalli singoli di qualità sufficiente per la determinazione della struttura a risoluzione quasi atomica. Ad oggi, ci sono 134 strutture cristalline di triptofano sintasi depositate nella Protein Data Bank (PDB), che rappresentano rispettivamente 101, 31 e 2 strutture cristalline per batteri, archaea ed eucarioti. Piacevolmente, 73 strutture appartengono a S. enterica serovar typhimurium e 5 strutture cristalline del complesso α2β2StTS hanno limiti di risoluzione superiori a 1,50 Angstrom. Non sorprende che 4 su 5 siano stati preparati nel nostro gruppo di ricerca (PDB IDs: 5CGQ a 1,18 Å, 4HT3 a 1,30 Å, 4HPJ a 1,45 Å, 6DZ4 a 1,45 Å risoluzione). Si prevede che le raffinate strutture cristalline della forma mutante del complesso α 2β2StTS forniranno nuove informazioni sul meccanismo e sui ruoli svolti dai residui di aminoacidi essenziali coinvolti nella sintesi di L-triptofano.