UPTON, Nowy Jork — Naukowcy z Narodowego Laboratorium Brookhaven Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) odkryli, że białko odpowiedzialne za syntezę kluczowego materiału roślinnego wyewoluowało znacznie wcześniej, niż przypuszczano. W ramach nowego badania zbadano pochodzenie i ewolucję maszynerii biochemicznej budującej ligninę, składnik strukturalny ścian komórkowych roślin, mający znaczący wpływ na przemysł czystej energii.

Kiedy pierwsze rośliny lądowe wyłoniły się ze środowiska wodnego, musiały się przystosować, aby przetrwać.

Chang-Jun Liu, starszy naukowiec na Wydziale Biologii Brookhaven, powiedział: „Pojawienie się ligniny, która zapewnia wsparcie strukturalne roślinom, było kluczowym wydarzeniem ewolucyjnym, które umożliwiło roślinom przetrwanie w nowym środowisku lądowym”.

Zrozumienie, w jaki sposób rośliny rozwinęły mechanizmy ochronne, które umożliwiają przetrwanie w nowych środowiskach, jest niezbędne, ponieważ stoją przed wyzwaniami wynikającymi ze współczesnych zmian klimatycznych. Jednak lignina cieszy się również dużym zainteresowaniem badaczy poszukujących możliwości czystej energii. Ten twardy materiał roślinny można przetwarzać i przekształcać w cenne bioprodukty. Lignina to jedyne odnawialne źródło związków aromatycznych, które pod względem chemicznym są podobne do cząsteczek występujących w konwencjonalnym paliwie do silników odrzutowych i mogą być wykorzystywane przez linie lotnicze jako paliwo „drop-in”.

„Współczesne rośliny zawierają trzy rodzaje ligniny, ale większość wczesnych roślin zawierających ligninę miała tylko dwa typy. „Nowa” lignina nazywa się syringylo-ligniną lub S-ligniną” – wyjaśnił Liu. S-lignina wyewoluowała stosunkowo niedawno wraz z roślinami kwitnącymi i jest strukturalnie mniej złożona niż inne składniki ligniny. W szczególności jej potencjalne zastosowania przemysłowe przykuły uwagę naukowców, ponieważ S-ligninę stosunkowo łatwo rozkłada się na proste związki aromatyczne.

Nowe badanie, opublikowane niedawno w Komórka Roślinna, opiera się na latach badań skupiających się na ligninie i cząsteczkach odpowiedzialnych za jej syntezę. W 2019 roku Liu i jego współpracownicy odkryli, że istnieje specyficzny cytochrom B₅ Białko CB5D jest niezbędne do produkcji S-ligniny, ale nie innych, starszych typów ligniny.

„Wyjątkowość roli CB5D w syntezie S-ligniny zaintrygowała nas” – zauważył Liu. „Zainspirowało nas to do dalszego badania jego pochodzenia i ewolucji”.

Enzymatyczna praca zespołowa

W poprzednim badaniu zespół Liu odkrył, że CB5D ma szczególne partnerstwo z enzymem zwanym 5-hydroksylazą ferulanową (F5H). Razem te cząsteczki zsyntetyzowały cenną S-ligninę.

Naukowcy wiedzieli, że ewolucja F5H w roślinach kwitnących doprowadziła do produkcji S-ligniny. Spodziewali się więc, że CB5D ewoluowało wspólnie z F5H.

Aby zbadać swoją hipotezę, naukowcy przeprowadzili analizę genetyczną w celu znalezienia innych gatunków roślin, których DNA zawierało geny podobne do współczesnych CB5D gen, który działa jako instrukcja składania białka CB5D. Zidentyfikowali 21 gatunków, od ewolucyjnie starożytnych po ewolucyjnie niedawne. Następnie naukowcy zsyntetyzowali te geny i indywidualnie dokonali ich ekspresji w nowoczesnym gatunku rośliny, który został genetycznie zmieniony tak, aby brakowało mu tego genu CB5D gen.

„Bez CB5D genu, roślina syntetyzuje tylko niewielką ilość S-ligniny” – powiedział Xianhai Zhao, badacz ze stopniem doktora w Brookhaven i główny autor nowego artykułu. „Gdyby jednak funkcja ta została przywrócona poprzez ekspresję jednego z powiązanych genów, wówczas wiedzielibyśmy, że gen działa podobnie do współczesnego genu. CB5D gen.”

Naukowcy odkryli, że gen gatunku zielonej algi, który ponad 500 milionów lat temu wyewoluował do wczesnej rośliny lądowej, przywrócił syntezę S-ligniny we współczesnej roślinie. Wskazywało to, że gen wykazywał funkcjonalność typu CB5D. Naukowcy odkryli również, że funkcja ta została zachowana u kilku wczesnych roślin lądowych, takich jak wątrobowce i mchy.

„Oznacza to, że CB5D wyewoluowała miliony lat wcześniej, niż się spodziewaliśmy” – wyjaśnił Liu. „Było dość zaskakujące odkrycie, że nowoczesny akceptor elektronów, taki jak F5H, nawiązał współpracę ze starożytnym białkiem, aby opracować nową maszynerię biochemiczną syntetyzującą zaawansowaną strukturę ligniny”.

Naukowa praca zespołowa i kolejne kroki

The CB5D gen i jego starszy odpowiednik zawierały podobne sekwencje i funkcje DNA. Naukowcy chcieli się jednak upewnić, że białko CB5D pochodzące od starożytnych gatunków, takich jak wątrobowiec, ulega ekspresji w tych samych strukturach subkomórkowych, co współczesne CB5D.

Aby potwierdzić, że tak było, wykorzystali mikroskopię konfokalną w Centrum Nanomateriałów Funkcjonalnych, placówce użytkownika DOE Office of Science w Brookhaven Lab.

Po znalezieniu starożytnych genów kodujących białka podobne do współczesnego białka CB5D pod względem syntezy S-ligniny we współczesnych roślinach i lokalizacji komórkowej zespół chciał dowiedzieć się więcej o starożytnej funkcji tego białka oraz o tym, jak zmieniało się ono lub rozszerzało w czasie.

Ich analiza wykazała, że ​​białko podobne do CB5D pojawiło się w algach wodnych tuż przed ich przejściem do środowiska lądowego. A ponieważ było konserwowane we wczesnych roślinach lądowych, białko to prawdopodobnie pełni jedną lub więcej podstawowych funkcji.

„Starożytne rośliny, takie jak wątrobowiec, nie zawierały S-ligniny” – powiedział Zhao. „Jeśli białko typu CB5D nie było odpowiedzialne za syntezę S-ligniny, to co zrobiło?”

Liu zauważył: „Na tym polega piękno badań. Odpowiedź na jedno pytanie prowadzi do jeszcze bardziej interesujących pytań, które czekają na odkrycie.

Prace te były wspierane przez Biuro Naukowe DOE.

Laboratorium Narodowe Brookhaven jest wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. Biuro Nauki jest największym sponsorem badań podstawowych w naukach fizycznych w Stanach Zjednoczonych i pracuje nad rozwiązaniem niektórych z najpilniejszych wyzwań naszych czasów. Po więcej informacji odwiedź science.energy.gov.

Obserwuj @BrookhavenLab w mediach społecznościowych. Znajdź nas na Instagrama, LinkedIn, XI Facebook.

powiązane linki