Comprendere in che modo un cambiamento nelle proteine vegetali possa attenuare lo stress idrico
Che si tratti di caldo torrido, siccità o inondazioni, i cambiamenti climatici stanno avendo un impatto devastante sulle piante. Secondo uno studio(si apre in una nuova finestra), infatti, ben il 16 % delle specie vegetali potrebbe perdere oltre il 90 % del proprio areale di distribuzione, il che le espone a un elevato rischio di estinzione. Ma questo futuro non è scolpito nella pietra. Grazie all’adattamento evolutivo, le piante riescono ad aumentare le loro possibilità di sopravvivenza. Per chiarire meglio, consideriamo come le cellule vegetali utilizzano la proteina recettoriale PYL1. «Rilevando l’acido abscissico, un ormone vegetale che si accumula in caso di carenza idrica, questo recettore può aiutare la pianta ad adattarsi alle condizioni di siccità», spiega Max Stammnitz, ricercatore presso il Centro di regolazione genomica(si apre in una nuova finestra). Questo è solo un esempio di come una pianta possa utilizzare un interruttore molecolare per adattarsi meglio a un ambiente in evoluzione. «Sebbene molti sistemi biologici dipendano da interruttori molecolari, non comprendiamo ancora appieno in che modo le loro proprietà di elaborazione del segnale siano codificate nella sequenza proteica», aggiunge Stammnitz. Con il sostegno del progetto DeepGlue, finanziato dall’UE, Stammnitz ha cercato di scoprirlo. «Volevamo capire in che modo le mutazioni influenzano il funzionamento dei recettori ormonali allosterici, quelle proteine che trasformano i segnali chimici in risposte cellulari», spiega. Il progetto, che ha ricevuto il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra), ha adottato un approccio sperimentale che ha permesso ai ricercatori di quantificare in che modo migliaia di mutazioni alterano l’intero andamento dose-risposta del recettore. In totale sono state effettuate oltre 40 000 misurazioni quantitative, che hanno permesso di ottenere una mappa quasi completa di come le variazioni aminoacidiche modulano la funzione di attivazione del recettore.
In che modo le mutazioni modificano il comportamento di una proteina recettoriale
Sulla base di questo studio, i ricercatori hanno scoperto che quasi il 90 % delle mutazioni alterava il profilo dose-risposta del recettore ormonale PYL1, modificando spesso la sensibilità, l’attività basale e la risposta massima in modo correlato. Hanno inoltre scoperto che molti di questi effetti possono essere spiegati dai cambiamenti nella stabilità delle proteine recettrici. «Abbiamo dimostrato come le mutazioni possano determinare non solo il funzionamento di una proteina recettoriale, ma anche il modo in cui essa risponde a un intervallo di concentrazioni di un induttore chimico», osserva Stammnitz. Il progetto ha inoltre rivelato che, al di là degli effetti sulla stabilità delle proteine, i singoli parametri di segnalazione possono essere regolati in modo indipendente, anche tramite mutazioni allosteriche lontane dall’interfaccia proteina-ormone. Forse l’aspetto più sorprendente è che anche rare sostituzioni di un singolo amminoacido hanno prodotto comportamenti qualitativamente nuovi, tra cui funzioni di attivazione invertite e di tipo «band-stop». Maggiori dettagli sui risultati del progetto sono disponibili in un articolo pubblicato su «Nature Communications»(si apre in una nuova finestra).
La ricerca potrebbe favorire un’agricoltura resiliente ai cambiamenti climatici
Secondo Stammnitz, DeepGlue ha dimostrato a livello concettuale che gli interruttori proteici non sono «dispositivi rigidi», bensì sistemi evolutivamente malleabili il cui comportamento quantitativo può essere profondamente modificato dalle mutazioni. «Il nostro lavoro fornisce un quadro di riferimento e una serie di dati per la progettazione di recettori allosterici e per interpretare in che modo le variazioni della sequenza genetica influenzano la segnalazione cellulare», afferma. Questo quadro potrebbe rivestire particolare interesse per il settore agricolo, aiutando gli agricoltori a coltivare una nuova generazione di colture resilienti ai cambiamenti climatici. «Diversi gruppi accademici e industriali in tutto il mondo stanno già cercando di comprendere meglio e di manipolare queste risposte molecolari nel contesto dei cambiamenti climatici», conclude Stammnitz. I ricercatori stanno attualmente ampliando i propri esperimenti di scansione mutazionale approfondita per confrontare le caratteristiche dose-risposta dei mutanti in diversi sistemi proteici inducibili chimicamente.
