Cellulose -; une partie intégrante des parois cellulaires végétales – ; est une source importante de nourriture, de papier, de textiles et de biocarburants, mais la manière dont sa création est régulée au sein des cellules végétales reste floue. Maintenant, une équipe dirigée par des chercheurs de Penn State a identifié une protéine qui modifie la machinerie cellulaire responsable de la production de cellulose, ce qui confère finalement de la stabilité à cette machinerie. Cette nouvelle compréhension pourrait éclairer la conception de matériaux plus stables et enrichis en cellulose pour les biocarburants et d’autres fonctions.
Dans une cellule végétale, un complexe de protéines appelé complexe cellulose synthase construit une chaîne de cellulose. La régulation de ce processus détermine une variété de propriétés comme quand et à quelle vitesse il se produit ainsi que la longueur de la chaîne de cellulose.
La cellulose est le biopolymère le plus abondant sur Terre, mais malgré son importance, on sait relativement peu de choses sur la façon dont sa synthèse est régulée. Dans cette étude, nous avons identifié une protéine appelée protéine kinase dépendante du calcium 32 (CPK32) et confirmé qu’elle modifie chimiquement l’une des protéines du complexe cellulose synthase, aidant finalement à réguler le processus de biosynthèse de la cellulose.
Ying Gu, professeur de biochimie et de biologie moléculaire au Penn State Eberly College of Science et chef de l’équipe de recherche
Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans un article paru le 11 juillet dans la revue Nouveau Phytologue.
La modification chimique effectuée par la protéine CPK32 est appelée phosphorylation ; il ajoute un composé chimique connu sous le nom de groupe phosphore à la protéine de cellulose synthase CESA3. Ces types de modifications sont réversibles et prennent en charge une variété de fonctions biologiques importantes dans la cellule. Chez l’homme, plus de 200 000 emplacements sur les protéines peuvent être phosphorylés par plus de 500 protéines, appelées kinases. Dans la plante Arabidopsis, également connue sous le nom de cresson de Thale et couramment utilisée en phytologie, plus de 43 000 emplacements peuvent être phosphorylés par plus de 1 000 kinases.
« Identifier laquelle des nombreuses kinases pouvait phosphoryler la cellulose synthase était très décourageante », a déclaré Gu. « Nous avons utilisé une approche de criblage pour rechercher des protéines qui s’associent directement à CESA3. Cela a révélé la kinase CPK32, et nous avons poursuivi avec une série d’expériences pour confirmer que CPK32 phosphoryle réellement CESA3, pour identifier l’emplacement spécifique sur CESA3 où cela se produit, et pour déterminer comment cette phosphorylation affecte la plante. »
Les chercheurs ont ensuite créé une version de la protéine CESA3 avec une mutation qui a modifié le site où le groupe phosphore est ajouté, empêchant la phosphorylation. Cellules des plantes mutées – ; où la phosphorylation de CESA3 n’était pas possible – ; avaient une teneur réduite en cellulose et une stabilité réduite du complexe de cellulose synthase, et les plantes adultes de plantes mutées présentaient un retard de croissance.
« Des études antérieures ont montré que CPK32 joue un rôle dans plusieurs processus biologiques, y compris la croissance du tube pollinique ainsi que le développement des pousses et des racines », a déclaré Gu. « Ici, nous démontrons une nouvelle fonction de CPK32 et un nouveau mécanisme de phosphorylation dans la stabilisation du complexe cellulose synthase. »
Ensuite, les chercheurs prévoient d’étudier si la phosphorylation de CESA3 est unique à CPK32 ou si d’autres kinases de la même famille peuvent réguler de la même manière la biosynthèse de la cellulose.
« En régulant la stabilité du complexe de cellulose synthase, nous pourrions être en mesure d’encourager les cellules à produire des chaînes de cellulose plus longues et, finalement, à concevoir des matériaux riches en cellulose », a déclaré Gu.
En plus de Gu, l’équipe de recherche de Penn State comprend Xiaoran Xin, étudiant diplômé du programme de biochimie, microbiologie et biologie moléculaire au moment de la recherche ; Donghui Wei, étudiant diplômé en biologie végétale ; Lei Lei, étudiant diplômé en biologie végétale au moment de la recherche ; et Shundai Li, professeur adjoint de biochimie et de biologie moléculaire. L’équipe de recherche comprend également Haiyan Zheng de l’Université Rutgers et Ian Wallace de l’Université du Nevada, Reno.
Cette recherche a été soutenue par le Center for Lignocellulose Structure and Formation, un Energy Frontier Research Center financé par le US Department of Energy; le département de biochimie et de biologie moléculaire de Penn State ; et la Fondation nationale des sciences.
