I cloroplasti di alghe e piante sono i motori cellulari che convertono l'energia solare in energia chimica attraverso la fotosintesi. Questi organelli, delimitati da un involucro con due membrane, contengono un proprio genoma la cui espressione è strettamente coordinata con quella del genoma nucleare. La maggior parte delle proteine dei cloroplasti è codificata da geni nucleari, tradotti nel citosol come proteine precursori contenenti una sequenza di transito al loro terminale amminico che funge da biglietto d'ingresso nei cloroplasti.
L'importazione di proteine nei cloroplasti è mediata da due complessi proteici di membrana chiamati TOC e TIC rispettivamente nella membrana dell'involucro esterno e interno. Questi complessi svolgono un ruolo chiave in cloroplasto biogenesi, nell'assemblaggio degli apparati fotosintetici e nelle varie vie metaboliche. Le diverse subunità proteiche di TOC e TIC sono state identificate e caratterizzate e si è scoperto che TOC e TIC formano insieme un supercomplesso. Tuttavia, non è chiaro come le diverse proteine di TOC e TIC si uniscano per formare i canali per la traslocazione delle proteine attraverso le membrane dell'involucro dei cloroplasti e le vie di traslocazione delle proteine all'interno di TOC e TIC rimangono sfuggenti.
In uno studio pubblicato online in Natura, il gruppo di Liu Zhenfeng presso l'Istituto di biofisica dell'Accademia cinese delle scienze, in collaborazione con il Prof. Jean-David Rochaix dell'Università di Ginevra, Svizzera, ha fornito approfondimenti tanto attesi sui componenti molecolari, l'organizzazione tridimensionale e il potenziale delle proteine percorsi di traslocazione del supercomplesso TOC-TIC da un'alga verde unicellulare chiamata Chlamydomonas reinhardtii.
I ricercatori hanno chiarito l'architettura supramolecolare del supercomplesso TOC-TIC attraverso la microscopia crioelettronica.
Sono state scoperte tredici diverse subunità proteiche in questo supercomplesso. Ad eccezione di Tic214 codificato dal genoma dei cloroplasti, tutte le altre subunità sono codificate dal nucleo. Sono assemblati nel complesso TOC nella membrana esterna, nel complesso spaziale intermembrana (ISC) e nel complesso TIC nella membrana interna. Sorprendentemente, è stato scoperto che la più grande proteina di membrana Tic214 attraversa la membrana interna, lo spazio intermembrana e la membrana esterna, collegando l'altra le proteine subunità come un ponte e molto probabilmente anche come impalcatura.
Il complesso TOC nella membrana esterna è composto principalmente da Toc34, Toc90 e Toc75, affiancato sul lato Toc90 dal complesso Ctap4-Ctap3. Un ibrido a forma di botte canale è formato da Toc90 e Toc75 sul membrana esterna. Il canale contiene un ingresso sul lato citosolico e due uscite che si aprono verso lo spazio intermembrana, nonché una porta laterale rivolta verso il doppio strato lipidico. Una molecola di acido fitico (nota anche come inositolo esafosfato/InsP6) si intercala all'interfaccia tra Toc90 e Tic214, stabilizzando il loro assemblaggio come un cuneo.
Il dominio dello spazio intermembrana di Tic214, Tic100, Tic56, Ctap3 e Ctap5 si intreccia tra loro per formare una struttura simile a una torre che collega TOC con TIC. Nel membrana interna, i domini incorporati nella membrana di Tic214, Tic20, Ctap5 e tre piccole subunità (denominate Simp1, Simp2 e Simp3) formano il complesso TIC. Quattro molecole lipidiche servono a stabilizzare l'assemblaggio di un canale a imbuto situato all'interfaccia tra Tic214 e Tic20 e impedire la fuoriuscita del canale.
Sulla base dei dati strutturali, i ricercatori hanno analizzato in dettaglio le caratteristiche dei pori all'interno dei canali TOC e TIC. Sono stati in grado di prevedere le interazioni tra il peptide di transito e il complesso TIC attraverso la simulazione della dinamica molecolare.
Supportati dall'osservazione di due pori del canale collegati da un solco superficiale e dai precedenti rapporti biochimici e funzionali, sono stati proposti percorsi multipli per spiegare la traslocazione delle diverse preproteine attraverso il supercomplesso TOC-TIC in distinti compartimenti locali dei cloroplasti.