On the molecular organization of a succinyl-CoA-producing cell-free system: A cryo-EM and computational approach

Summary:
Background: In recent years, the importance of metabolites in cellular signalling and metabolic regulation has gained considerable attention. Metabolites such as acetyl-coenzyme A, α-ketoglutarate and palmitic acid play a key role in the regulation of cellular communication, inflammation and even malignancy. These metabolites are regulated by large enzyme complexes known as "metabolons" that control the availability of these important molecules. To perform their functions, metabolons rely on multiple proteins that form dynamic communities, with flexibility provided by unstructured regions that control the availability of reaction intermediates.
Preliminary work: The enzymes responsible for the production of acetyl-coenzyme A, α-ketoglutarate and palmitic acid are part of large macromolecular associations, namely the pyruvate dehydrogenase complex, the oxoglutarate dehydrogenase complex and fatty acid synthase. These complexes consist of structured and unstructured domains that are crucial for regulating the production and availability of metabolites. To comprehensively understand their structural organisation, two prerequisites must be met: (a) the development of a system that preserves the native context of these complexes through biochemical techniques, and (b) the application of advanced structural methods to visualise and interpret their structures.
Objective: In this work, a cell-free system from the thermophilic fungus Chaetomium thermophilum with the ability to produce succinyl-CoA will be used to investigate the structural details of megadalton-sized protein communities. An AI-driven pipeline will be used to perform a de novo structural characterisation of these communities, providing insight into their organisation and how structural flexibility affects their function. In addition, the study will further elucidate the organisation of the oxoglutarate dehydrogenase complex and, in particular, investigate the structure and function of the E2o core. Kinetic characterisation of enzymatic reactions, mass spectrometry-based proteomics and cross-linking mass spectrometry will provide insights into the composition and interactions of the complex.
Methods: The research uses cryogenic electron microscopy, integrative computational structural biology techniques, mass spectrometry-based proteomics and artificial intelligence-based protein modelling to analyse the structural and functional aspects of the protein complexes under study.
Implications: This research provides new insights into the structural and functional aspects of metabolons and their dynamic protein communities, with a focus on the oxoglutarate dehydrogenase complex. Understanding the structural role of flexibility within these complexes is crucial for deciphering their biological significance and potential applications in various fields.
Alignment with the Sustainable Development Goals (SDGs): This study is aligned with several SDGs. It directly contributes to SDG 3 (health and well-being) and SDG 9 (industry, innovation and infrastructure) by advancing our understanding of cellular processes with potential applications in biotechnology and health. It also indirectly supports SDG 4 (Quality of Education) by promoting high quality teaching and research. The collaborative nature of this research also underlines its alignment with SDG 17 (Partnerships for the Goals), as it promotes collaboration between different stakeholders to address pressing scientific and societal challenges. Furthermore, it aligns with SDG 11 (Sustainable Cities and Communities) by exploring sustainable sources of metabolite production and improving our understanding of the underlying biological processes that can lead to more sustainable practices.

Über die molekulare Organisation eines Succinyl-CoA-produzierenden zellfreien Systems: Ein Kryo-EM- und Berechnungsansatz

Zusammenfassung:
Hintergrund: In den letzten Jahren hat die Bedeutung von Metaboliten bei der zellulären Signalübertragung und Stoffwechselregulierung erhebliche Aufmerksamkeit erlangt. Metaboliten wie Acetyl-Coenzym A, α-Ketoglutarat und Palmitinsäure spielen eine Schlüsselrolle bei der Regulierung der zellulären Kommunikation, bei Entzündungen und sogar bei Malignität. Diese Metaboliten werden durch große Enzymkomplexe reguliert, die als "Metabolone" bekannt sind und die Verfügbarkeit dieser wichtigen Moleküle steuern. Um ihre Funktionen zu erfüllen, sind Metabolons auf mehrere Proteine angewiesen, die dynamische Gemeinschaften bilden, wobei die Flexibilität durch unstrukturierte Regionen gewährleistet wird, die die Verfügbarkeit von Reaktionszwischenprodukten steuern.
Vorläufige Arbeit: Die Enzyme, die für die Produktion von Acetyl-Coenzym A, α-Ketoglutarat und Palmitinsäure verantwortlich sind, sind Teil großer makromolekularer Verbände, nämlich des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes, des Oxoglutarat-Dehydrogenase-Komplexes und der Fettsäure-Synthase. Diese Komplexe bestehen aus strukturierten und unstrukturierten Bereichen, die für die Regulierung der Produktion und Verfügbarkeit von Metaboliten entscheidend sind. Um ihre strukturelle Organisation umfassend zu verstehen, müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein: (a) die Entwicklung eines Systems, das den nativen Kontext dieser Komplexe durch biochemische Techniken bewahrt, und (b) die Anwendung fortschrittlicher struktureller Methoden zur Visualisierung und Interpretation ihrer Strukturen.
Zielsetzung: In dieser Arbeit soll ein zellfreies System aus dem thermophilen Pilz Chaetomium thermophilum mit der Fähigkeit zur Succinyl-CoA-Produktion eingesetzt werden, um die strukturellen Details von Proteingemeinschaften von Megadalton-Größe zu untersuchen. Eine KI-gesteuerte Pipeline wird eingesetzt, um eine de novo strukturelle Charakterisierung dieser Gemeinschaften vorzunehmen, die Aufschluss über ihre Organisation gibt und darüber, wie die strukturelle Flexibilität ihre Funktion beeinflusst. Darüber hinaus wird die Studie die Organisation des Oxoglutarat-Dehydrogenase-Komplexes näher beleuchten und insbesondere die Struktur und Funktion des E2o-Kerns untersuchen. Die kinetische Charakterisierung enzymatischer Reaktionen, massenspektrometriebasierte Proteomik und Vernetzungsmassenspektrometrie werden Einblicke in die Zusammensetzung und die Interaktionen des Komplexes liefern.
Methoden: Die Forschung nutzt kryogene Elektronenmikroskopie, integrative computergestützte strukturbiologische Techniken, massenspektrometriebasierte Proteomik und auf künstlicher Intelligenz basierende Proteinmodellierung, um die strukturellen und funktionellen Aspekte der untersuchten Proteinkomplexe zu analysieren.
Auswirkungen: Diese Forschung bietet neue Einblicke in die strukturellen und funktionellen Aspekte von Metabolon-Komplexen und ihren dynamischen Protein-Gemeinschaften, mit einem Schwerpunkt auf dem Oxoglutarat-Dehydrogenase-Komplex. Das Verständnis der strukturellen Rolle der Flexibilität innerhalb dieser Komplexe ist entscheidend für die Entschlüsselung ihrer biologischen Bedeutung und ihrer potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen.
Ausrichtung auf die Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs): Diese Studie steht im Einklang mit mehreren SDGs. Sie trägt direkt zu SDG 3 (Gesundheit und Wohlbefinden) und SDG 9 (Industrie, Innovation und Infrastruktur) bei, indem sie unser Verständnis von zellulären Prozessen mit potenziellen Anwendungen in der Biotechnologie und Gesundheit fördert. Darüber hinaus unterstützt es indirekt SDG 4 (Qualität der Bildung), indem es eine qualitativ hochwertige Lehre und Forschung fördert. Der kollaborative Charakter dieser Forschung unterstreicht auch ihre Ausrichtung auf SDG 17 (Partnerschaften für die Ziele), da sie die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Interessengruppen fördert, um dringende wissenschaftliche und gesellschaftliche Herausforderungen anzugehen. Darüber hinaus steht es im Einklang mit SDG 11 (Nachhaltige Städte und Gemeinden), indem es nachhaltige Quellen für die Produktion von Metaboliten erforscht und unser Verständnis für die zugrunde liegenden biologischen Prozesse verbessert, die zu nachhaltigeren Praktiken führen können.