UPTON, NY — Biochemicy roślinni z Narodowego Laboratorium Brookhaven w Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych odkryli nowy poziom regulacji w biochemicznej „maszynie” używanej przez rośliny do przekształcania węgla organicznego pochodzącego z fotosyntezy w szereg pierścieniowych cząsteczek aromatycznych. Badania, właśnie opublikowane w czasopiśmie Postępy naukisugeruje nowe strategie kontrolowania biochemii roślin w zastosowaniach rolniczych i przemysłowych.

„Nasze badanie ujawnia długo pomijaną złożoność i wszechstronność kluczowego zestawu enzymów znanych jako monooksygenazy cytochromu P450” – powiedział główny autor badania, Chang-Jun Liu z wydziału biologii Brookhaven Lab. „Te enzymy działają jak syntetyczna maszyna do wytwarzania szerokiej gamy związków aromatycznych w roślinach – w tym związków budujących wodoodporny szkielet i układ naczyniowy roślin oraz innych, które zapewniają ochronę przed inwazjami owadów i promieniowaniem ultrafioletowym (UV)”.

Odkrycie złożoności regulacji tych enzymów zapewnia nowy zestaw narzędzi genetycznych, których naukowcy mogą użyć do precyzyjnej kontroli, które związki są wytwarzane w inny części rośliny. Prace mogą ułatwić długoterminowe magazynowanie węgla i neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla wykorzystanie biomasy roślinnej do zastosowań energetycznych, poprawić właściwości odżywcze roślin lub zwiększyć ich odporność na choroby i trudne warunki środowiskowe.

Maszyneria molekularna

Naukowcy od dawna wiedzą, że enzymy P450 nie działają samodzielnie w celu określenia strukturalnych i biologicznych cech związków aromatycznych.

„Aby maszyny P450 działały, potrzebują partnerskich cząsteczek do dostarczania elektronów. Te elektrony działają jak źródło energii napędzającej maszynę” – wyjaśnił Liu.

Konwencjonalnie naukowcy uważali, że P450 oddziałują przede wszystkim z ogólnym donorem elektronów zwanym reduktazą cytochromu P450 w celu wytworzenia różnych związków aromatycznych. Ale nowe badanie pokazuje, że różne P450 selektywnie współpracują z różnymi donorami elektronów (i łańcuchami transportu elektronów), aby napędzać ich działania. Co więcej, naukowcy odkryli, że ten sam enzym P450 może wykorzystywać różne donory elektronów i łańcuchy transportu elektronów w różnych częściach rośliny – łodygach, liściach i nasionach – do produkcji różnych klas związków aromatycznych.

Naukowcy dokonali tych odkryć, analizując związki aromatyczne, które gromadziły się w różnych częściach roślin, w których wybiórczo usunięto geny dla różnych donorów elektronów.

„Wyłączając te geny, byliśmy w stanie określić wkład różnych dawców elektronów, identyfikując, które z nich napędzają produkcję różnych aromatów w różnych częściach rośliny” – powiedział Liu. „Następnie w komórkach drożdży ponownie złożyliśmy różne łańcuchy transportu elektronów w połączeniu z roślinnymi enzymami P450, aby naśladować reakcje w roślinach. Badania te pomogły nam zweryfikować wkład poszczególnych dawców elektronów i łańcuchów transportowych we wspieranie aktywności P450”.

Prace eksperymentalne zostały przeprowadzone głównie przez badacza ze stopniem doktora Xianhai Zhao pod kierunkiem Liu.

„Rośliny wyewoluowały wiele genów homologicznych dla donorów elektronów”, wyjaśnił Zhao, „więc musieliśmy stworzyć rośliny z delecjami pojedynczych genów i kombinacjami genów. Następnie zbadaliśmy zmiany w rozkładzie produktów aromatów w trakcie rozwoju roślin”.

„Przeprowadziliśmy również kompleksową analizę porównawczą ekspresji genów donorów elektronów i obfitości cząsteczek będących źródłem elektronów w różnych częściach rośliny i zmierzyliśmy szybkości przenoszenia elektronów w różnych łańcuchach transportowych” – dodał Zhao.

Eksperymenty te pomogły naukowcom zidentyfikować podstawowe przyczyny, dla których niektóre enzymy P450 współpracują z różnymi łańcuchami transportu elektronów w różnych częściach rośliny.

Następne kroki

Zdobyta wiedza zapewnia naukowcom nowy zestaw narzędzi genetycznych, którymi mogą manipulować w celu kontrolowania produkcji aromatów.

„Możemy manipulować konkretnymi donorami elektronów – zamiast P450 – w celu stłumienia odrębnego zestawu związków aromatycznych i osiągnięcia pożądanego rezultatu” – powiedział Liu.

Na przykład redukcja związku aromatycznego znanego jako lignina w łodygach może ułatwić rozkładanie roślin i przekształcanie ich w biopaliwa. Zmniejszenie poziomu niektórych aromatów w nasionach może poprawić ich wartość odżywczą.

„Szczegółowa wiedza przedstawiona w tym badaniu pozwala nam dokonywać wybranych zmian w jednej części rośliny bez wpływu na inną – na przykład akumulację związków aromatycznych, które zapewniają ochronę przed promieniowaniem UV w liściach” – powiedział Liu.

Zespół Brookhaven planuje przetestować te strategie manipulacji genetycznych w celu optymalizacji upraw bioenergetycznych. Przeprowadzą również dalsze badania przy użyciu mikroskopów krioelektronowych w Laboratorium Struktury BioMolekularnej Brookhaven, aby zrozumieć szczegóły na poziomie atomowym, które napędzają selektywne partnerstwa między enzymami P450 a określonymi donorami elektronów.

„Zbadanie molekularnych podstaw selektywnego asocjacji donorów elektronów P450 pomoże nam lepiej zrozumieć, jak działa system P450” – powiedział Liu. „To z kolei pozwoli nam potencjalnie stworzyć wydajniejsze systemy enzymatyczne do wytwarzania pożądanych bioproduktów oraz usprawnić konwersję i magazynowanie węgla pobieranego w procesie fotosyntezy”.

Ta praca została sfinansowana przez DOE Office of Science (BES). W badaniach wykorzystano mikroskop konfokalny w Centrum Nanomateriałów Funkcjonalnych w Brookhaven Lab, ośrodku dla użytkowników US DOE Office of Science.

Brookhaven National Laboratory jest wspierane przez Biuro Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. Biuro Nauki jest największym sponsorem badań podstawowych w dziedzinie nauk fizycznych w Stanach Zjednoczonych i pracuje nad rozwiązaniem niektórych z najpilniejszych wyzwań naszych czasów. Więcej informacji można znaleźć na stronie science.energy.gov.

Śledź @BrookhavenLab na Świergot lub znajdź nas na Facebooku.