Cloning, purification, and characterization of recombinant magnesium chelatase from Synechocystis sp. PCC 6803

Chelataza magnezowa (Mg-CH) jest kluczowym enzymem regulującym biosyntezę chlorofilu, decydującym o przepływie substratów w stronę produkcji chlorofilu bądź hemu. Przeprowadza insercję jonu Mg2+ do protoporfiryny IX (PPIX), a reakcja ta wymaga udziału ATP. Pomimo znaczenia tego enzymu, jego struktura oraz molekularny mechanizm działania pozostają nieznane. Przeprowadzone badania wykazały, że fosfatydyloglicerol zwiększa maksymalną szybkość reakcji, co sugeruje jego rolę w stabilizowaniu kompleksów białkowych. Ponadto stwierdzono, że preinkubacja PPIX z podjednostką Gun4 znacząco przyspiesza reakcję enzymatyczną. Wykorzystując mikroskopię transmisyjną, zaobserwowano, że podjednostka ChlI ulega reorganizacji w zależności od stężenia ATP oraz obecności innych podjednostek. Podjęto również próbę heterologicznej produkcjiMg-protoporfiryny IX, produktu reakcji katalizowanej przez Mg-CH, w komórkach E. coli.Na podstawie tych obserwacji zaproponowano model regulacji asocjacji podjednostekMg-CH poprzez wpływ na oligomeryzację ChlI. Wyniki sugerują wielopoziomową kontrolę aktywności Mg-CH poprzez oddziaływanie z metabolitami, lipidami błonowymi oraz dynamiczną reorganizację podjednostek enzymu

Magnesium chelatase (Mg-CH) is a key enzyme regulating chlorophyll biosynthesis, determining the substrate flow towards the production of either chlorophyll or heme. It catalyzes the insertion of the Mg2+ ion into protoporphyrin IX (PPIX) and the reaction requires ATP. Despite the enzyme's significance, its structure and molecular reaction mechanism remain unknown. The conducted studies have shown that phosphatidylglycerol increases the maximum reaction rate, suggesting its role in stabilizing protein complexes. Additionally, it was found that preincubation of PPIX with the Gun4 subunit significantly accelerates the enzymatic reaction. Using transmission electron microscopy, it was observed that the ChlI subunit undergoes reorganization depending on ATP concentration and the presence of other subunits. Additionally, a trial of heterologous productionof Mg-protoporphyrin IX, the product of the reaction catalyzed by Mg-CH was performer. Based on these observations, a model for the regulation of Mg-CH subunit association through the influence on ChlI oligomerization was proposed. The results suggest multi-level control of Mg-CH activity through interactions with metabolites, membrane lipids, and dynamic reorganization of the enzyme's subunits.