RICERCA ITALIANA     

Accumulo e turnover proteine nelle piante

Università degli Studi di Padova

Abstract

Gli organismi fotosintetici hanno notevoli potenzialità di applicazione biotecnologia grazie alla loro capacità di utilizzare l’energia solare come fonte energetica. Ad esempio possono essere utilizzati per la produzione di bioetanolo o biodiesel e rappresentano una delle possibili fonti alternative ai combustibili fossili. Inoltre, le piante hanno una notevole flessibilità metabolica e possono essere utilizzate per produrre molecole ad alto valore aggiunto, come composti di interesse farmacologico o industriale. La sfida per i prossimi decenni è sfruttare fattivamente queste grosse potenzialità sviluppando la capacità di indirizzare il metabolismo verso la produzione delle molecole di interesse.
La quantità totale di ogni proteina è il risultato del bilancio di sintesi e degradazione. Mentre i meccanismi di regolazione trascrizionale sono stati molto studiati e ci sono buone tecnologie disponibili per la sovraespressione di geni eterologhi; le conoscenze dei meccanismi che regolano la stabilità di una proteina e quindi il suo accumulo sono invece ancora carenti.
Nell’ambito di questo progetto saranno studiati tali meccanismi allo scopo di individuare i fattori che determinano l’accumulo di proteine nelle cellule vegetali. In particolare saranno studiati i meccanismi di regolazione dell’accumulo di proteine in risposta alle condizioni ambientali di luce e temperatura. Recentemente è stato mostrato che il contenuto in polipeptidi componenti l’apparato >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Tomas Morosinotto Università degli Studi di PADOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Gli organismi fotosintetici hanno delle elevate potenzialità biotecnologiche, grazie alla loro capacità di utilizzare la luce solare e molto probabilmente costituiranno una fonte fondamentale di energia in sostituzione dei combustibili fossili. Questi sono anche molto interessanti come “biofactories” per produrre molecole ad alto valore aggiunto come molecole di interesse farmacologico o industriale. Infine, sviluppare varietà che accumulino proteine di riserva ricche di amminoacidi essenziali può incrementarne il valore nutrizionale. Tutte queste applicazioni si basano sulla capacità di ingegnerizzare il metabolismo di questi organismi, permettendo l’accumulo specifico delle proteine di interesse.
Da diversi anni sono disponibili alcune tecniche di trasformazione genica di diverse specie di organismi fotosintetici e queste conoscenze sono ormai ben sviluppate. Tali metodologie però spesso non sono sufficienti per raggiungere gli elevati livelli di espressione proteica necessari per scopi applicativi. Infatti, affinché una proteina sia accumulata in un organismo, questa deve essere espressa a livelli elevati ma deve essere anche stabile e non essere degradata subito dopo l’espressione.
Alla possibilità di regolare la trascrizione dei geni, tuttavia, non corrisponde un’analoga conoscenza dei meccanismi che regolano la stabilità di una proteina. L’obbiettivo di questo progetto è quindi di approfondire la conoscenza di questi meccanismi analizzandolo sotto diversi >>>

Risultati parziali attesi

L’obiettivo principale di questo progetto è avanzare nella conoscenza della regolazione dell’accumulo e turnover delle proteine nelle piante. Come già accennato, regolazioni di questo tipo sono importanti per comprendere al meglio alcuni fenomeni fisiologici, come l’adattamento delle piante all’ambiente, ma anche per applicazioni biotecnologiche, come l’espressione di proteine eterologhe in pianta.
Il risultato atteso è soprattutto una più approfondita comprensione dei meccanismi di base della regolazione dell’emivita delle proteine vegetali.
Nello specifico, i risultati prevedono inoltre:
1) Analisi dell’associazione dei ribosomi agli mRNA codificanti per proteine dell’apparato fotosintetico in funzione delle condizioni ambientali. Analisi della regolazione della biosintesi di carotenoidi in funzione delle condizioni ambientali. Verifica possibile ruolo del jasmonato nell’acclimatazione. Ruolo della produzione di specie reattive dell’ossigeno nella regolazione genica. Analisi del ruolo regolativo di alcune proteine antenna dell’apparato fotosintetico. Isolamento e caratterizzazione di mutanti privi di proteine coinvolte in modificazioni secondarie o di proteasi specifiche.
2) analisi dei profili proteici della bacca di pomodoro a diversi stadi di maturazione. Analisi delle modificazioni secondarie delle proteine a diversi stadi di maturazione.
3) Ottenimento di vettori plasmidiali contenenti i geni di zeolina, zeolinaCys-, PDI e At1gcytb5 >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Le piante sono esposte a condizioni ambientali molto variabili e hanno sviluppato un’elevata capacità di adattamento, regolando la loro attività metabolica ai vincoli ambientali. In particolare, spesso le piante si trovano esposte ad una combinazione di stress abiotici come freddo, siccità, elevata illuminazione: questi, nonostante la loro diversa natura, causano tutti dei danneggiamenti a livello dei cloroplasti ed in particolare all’apparato fotosintetico.
Nei cloroplasti il turnover delle proteine è generalmente ridotto, ad eccezione di alcuni casi specifici: ne è un esempio la proteina D1, subunità del centro di reazione del fotosistema II, la quale è sottoposta ad un turnover molto rapido in condizioni di illuminazione. Dati recenti hanno ampliato questo quadro ed evidenziato come la regolazione della degradazione delle proteine giochi un ruolo fondamentale nell’acclimatazione, cioè l’adattamento a lungo termine alle condizioni ambientali come intensità di luce o temperatura (1,2). L’acclimatazione è un processo essenziale alla resistenza agli stress abiotici delle piante coltivate e piante che non acclimatano sono drammaticamente più sensibili a molti tipi di stress.
Durante l’acclimatazione diverse classi di proteine sono accumulate o degradate. Un esempio di questo fenomeno si ha osservando una famiglia multigenica di proteine, denominate “antenna”, le quali sono responsabili dell’assorbimento della luce. Nelle condizioni in cui l’energia assorbita è in >>>