Mecanismos moleculares de degradación de la pared celular vegetalestructura y especificidad

Zusammenfassung

Las xilanasas son glicosil hidrolasas encargadas de la degradación del xilano, componente mayoritario de la hemicelulosa. Según su arquitectura molecular, se pueden catalogar en xilanasas de dominio simple o multidominio presentando, además del dominio catalítico, uno o más módulos de unión a carbohidratos. Normalmente, la producción de xilanasas la realizan microorganismos que durante su crecimiento están en contacto con sustratos que contienen xilano. Un ejemplo de ello es la bacteria Paenibacillus barcinonensis, la cual fue aislada a partir de muestras recogidas en el suelo de un arrozal en el delta del río Ebro. En este trabajo se presentan los resultados derivados del estudio estructural y funcional de dos xilanasas modulares de esta bacteria, Xyn10C y Xyn30D. Xyn10C tiene una estructura de dominios compleja con un tándem de CBM22 en el extremo N terminal, un dominio catalítico de la familia GH10 y un tándem de CBM9 en el extremo C terminal. En el trabajo se presenta la estructura tridimensional del dominio N terminal XBDXBD, de cada uno de sus dos módulos CBM22 aislados, del segundo dominio CBM22 con ligandos, y del dominio catalítico. Es la primera estructura reportada que contiene dos módulos CBM22 contiguos en tándem. Los resultados muestran que XBDXBD se pliega en dos módulos independientes cuyo segmento conector le proporciona una amplia variedad conformacional. La estructura cristalográfica del dominio catalítico revela que éste parece ser capaz de unir xilanos altamente sustituidos, pudiendo alojar ramificaciones en casi todos los subsitios. Ambos módulos CBM22 contienen los tres residuos aromáticos del motivo de unión a sustrato YYY y dos residuos cargados RE, esenciales para el reconocimiento de xilano. Los resultados estructurales nos permiten identificar un residuo aromático adicional, Trp308, el cual amplía la plataforma hidrofóbica y genera nuevos sitios de unión no observados anteriormente en esta familia. Sólo el dominio C terminal de Xyn10C tiene la capacidad de unir celulosa. Los geles de retardo indicaron una mayor interacción de XBDXBD frente a arabinoxilanos. La calorimetría muestra dos sitios de distinta especificidad en el tándem. Así, los resultados estructurales y bioquímicos permiten concluir que la repetición de módulos CBM de la misma familia en una proteína no se debe meramente a un efecto de multivalencia, sino que puede introducir nuevas funcionalidades enzimáticas. La segunda proteína en estudio es Xyn30D, presenta una composición de dominios con un módulo catalítico de la familia GH10 y un CBM35. Es la primera xilanasa bimodular de la familia GH30 cuya estructura ha sido reportada. También se describe la estructura de su CBM35 con ácidos glucurónico y aldurónico. El estudio cristalográfico de Xyn30D muestra que ambos dominios se pliegan de forma independiente y con una flexibilidad moderada. Cabe destacar que únicamente se obtuvieron los complejos de CBM35 con ligandos que contenían ácido glucurónico, lo que sugiere que este es un determinante específico de unión, además esta unión es dependiente de calcio. El análisis estructural permitió identificar el residuo Glu129, clave en la afinidad, y además destacan dos tirosinas del sitio de unión, lo que apunta a la existencia de subsitios adicionales a los descritos anteriormente. El análisis de todos los datos obtenidos del dominio catalítico y del dominio suplementario nos ha permitido formular una hipótesis que explicaría la estrategia de actuación de Xyn30D y el papel que jugaría cada uno de sus dominios en la degradación del xilano en el hábitat natural de la bacteria. En resumen, los resultados de este trabajo han permitido analizar los determinantes moleculares de reconocimiento proteína-carbohidrato en enzimas involucradas en la degradación de la pared celular vegetal y avanzar en el entendimiento de los sofisticados mecanismos concertados de regulación de la especificidad por los dominios adicionales no catalíticos.