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Regulation of iron-sulfur (Fe-S) cluster assembly in plastids and coordination with plant physiology

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Formazione di cluster di ferro-zolfo nelle piante

La fotosintesi, ovvero la capacità di convertire l'energia solare in cibo, rappresenta un processo critico ai fini della preservazione di tutte le forme di vita sulla Terra. In tale ambito, svolgono un ruolo essenziale i cosiddetti cofattori versatili, ovvero cluster di ferro-zolfo (Fe-S) che rappresentano componenti chiave dei cloroplasti.

Cambiamento climatico e Ambiente

Nel contesto del cambiamento climatico globale e delle condizioni ambientali dinamiche, la comprensione della regolazione e della funzione dei cluster di Fe-S nel cloroplasto svolge un ruolo di primaria importanza. Partendo da tale presupposto, i ricercatori hanno avviato il progetto INTEGRREGULFESPLAST, finanziato dall'UE. Dalle ricerche condotte in passato è emerso che l'enzima disolfuro della cisteina (CpNifS) rappresenta un elemento necessario ai fini dell'approvvigionamento di zolfo durante l'assemblaggio di cluster Fe-S nei cloroplasti, nell'ambito del quale la proteina CpSufE si lega alla proteina CpNifS. Tuttavia, le conoscenze relative alle precise modalità di assemblaggio di questi cluster da parte dei cloroplasti sono ancora piuttosto lacunose. Per colmare tale divario, i ricercatori hanno applicato un approccio integrato biochimico-fisiologico-genetico al modello vegetale dell'Arabidopsis thaliana allo scopo di studiare il sistema di assemblaggio dei cluster Fe-S nei cloroplasti. Le piante sono state coltivate in condizioni idroponiche per valutare la risposta alle variazioni in termini nutrizionali e ambientali. Nello specifico, sono stati testati diversi livelli di ferro e zolfo, nonché condizioni di illuminazione variabili. I ricercatori hanno valutato le variazioni in termini di parametri fisiologici e fenotipici, quali biomassa vegetale, contenuto di clorofilla, attività fotosintetica ed espressione dei geni. Attraverso l'utilizzo di tecniche quali il Western blot e la raccolta di anticorpi, gli scienziati hanno osservato variazioni in termini di livelli proteici di riferimento e di regolazione dei cluster Fe-S. Sono stati quindi ideati costrutti dell'interferenza dell'RNA inducibili e artificiali, mentre le specie vegetali mutanti selezionate, caratterizzate da un knockout di geni, sono state utilizzate ai fini della soppressione condizionale delle proteine e dello studio delle relative funzioni. I membri del progetto hanno già provveduto a isolare vari componenti appartenenti a specifiche famiglie proteiche associate alla biogenesi Fe-S nel cloroplasto mediante l'utilizzo dell'analogia delle sequenze. Un'importante scoperta concerneva l'interazione della proteina adenosina 5'-fosfosolfato redattasi (APR) con la SufE e il suo ruolo nel metabolismo dello zolfo durante la formazione dei cluster di Fe-S. Dai risultati è emerso un esaurimento dell'approvvigionamento delle proteine APR in caso di carenza di Fe, che ha spinto gli scienziati a inferire una dipendenza dell'attività del disolfuro della cisteina dal ferro. Tuttavia, i livelli di NifS e SufE non risultavano influenzati dai livelli di ferro. Nell'ambito dell'iniziativa INTEGRREGULFESPLAST, è stata trovata una correlazione tra la funzione proteica e la fisiologia dell'intera pianta e sono state fatte nuove scoperte relative ai primi processi regolatori coinvolti nella biogenesi dei cluster di Fe-S. Le attività progettuali potrebbero infine essere utilizzate ai fini del potenziamento della produzione di biomassa e della produttività agricola con importanti implicazioni per la sicurezza alimentare globale.

Parole chiave

Cluster di Fe-S, fotosintesi, cloroplasto, enzima disolfuro della cisteina, CpNifS, CpSufE, idroponico, fisiologico, fenotipico, metodo Western blot, anticorpo, proteina, costrutto dell'interferenza dell'RNA, APR, sicurezza alimentare

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