Ученые, изучающие клеточные стенки растений - структурные опоры, которые помогают растениям преодолевать нисходящее притяжение, - обнаружили механистические детали белка, участвующего в сборке лигнина, ключевого компонента клеточной стенки. Белок действует как целевой «электронный челнок», доставляющий «топливо», которое приводит в движение строительство одного конкретного типа строительного блока лигнина.
Исследование ученых из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и их сотрудников, опубликованное в The Plant Cell 8 апреля 2019 года, показало, что этот конкретный электронный челнок отличается от тех, которые управляют производством других виды предшественников лигнина, сказал Чан-Джун Лю, биохимик Брукхейвенской лаборатории, который руководил исследованием. Эти данные свидетельствуют о том, что контроль относительного количества белков электронного челнока может быть новой стратегией управления тем, какие строительные блоки клеточной стенки закладываются по мере роста растений.
Традиционно ученые стремились контролировать состав лигнина и других строительных блоков клеточных стенок, сосредоточив внимание на распределении углерода, основного остова всех этих молекул. Идея состоит в том, чтобы преобразовать углерод в молекулы, которые будут полезны для конкретных приложений.
Например, определенная смесь строительных блоков лигнина может облегчить разрушение клеточных стенок, чтобы повысить эффективность преобразования биомассы в биотопливо. С другой стороны, изобилие одного конкретного полимера лигнина может быть использовано для изготовления углеродных волокон или ценных ароматических соединений для ароматизаторов и ароматизаторов.
«Большая часть этой предыдущей работы была непосредственно нацелена на ферменты, которые направляют углерод по различным биохимическим путям», - сказал Лю из Брукхейвена, который также занимает должность помощника в Университете Стоуни-Брук.
Новая работа предлагает альтернативный подход, направленный на челночные белки, которые доставляют электроны, необходимые для активации ферментов.
«Электроны подобны топливу для реакции», - объяснил Лю. «Для этих ферментов без этого топлива эти реакции не могут происходить. Нацелившись на белки доставки электронов, мы можем выборочно перенаправить поток электронов, чтобы изменить состав лигнина растений».
Биохимические данные
Ученые определили специфичность белка электронного челнока путем детального изучения биохимических путей, ведущих к синтезу трех различных предшественников лигнина. Они уже знали, что синтез каждого подтипа лигнина - H, G и S - контролируется разными окислительными ферментами в рамках одного трехэтапного процесса гидроксилирования..
«Во всех трех случаях самого фермента недостаточно для протекания реакции», - сказал Лю. Каждому нужны электроны, доставляемые белком-партнером.
Чтобы определить, какие партнеры - какие белки электронного челнока - могут доставлять электроны на каждом этапе, ученые «пометили» каждый из ферментов разными иммунологическими «крючками».
«Мы использовали три фермента пути в качестве приманки», - сказал Лю.
«Метки - это маркеры, с которыми связываются антитела, поэтому вы можете использовать антитела для захвата меченых белков», - пояснил он. «Белки, связанные с каждым меченым белком, приходят в движение. Таким образом, мы можем видеть, какие белки взаимодействуют с каждым из трех отдельных ферментов."
В дополнение к идентификации переносчика электронов, который, как уже известно, играет роль в путях синтеза лигнина, эти исследования «иммунопреципитация-масс-спектрометрия» показали, что ряд ранее не идентифицированных партнеров также взаимодействует с некоторыми ферментами.
Чтобы определить роль этих дополнительных белков-партнеров, ученые использовали биохимическую генетику. Они использовали штаммы экспериментальных растений арабидопсиса, у которых отсутствовал ген каждого конкретного белка, чтобы увидеть, какое влияние отсутствующие гены окажут на общее количество лигнина и каждого типа субкомпонента (H, G и S).
Они обнаружили, что удаление гена одного из этих белков влияет только на производство S-лигнина. Они пришли к выводу, что этот «недавно идентифицированный» белок-переносчик электронов должен быть связан с последней стадией трехступенчатого процесса - той, которая производит S-лигнин.
Дополнительные биохимические исследования подтвердили вывод об исключительной роли этого альтернативного электронно-челночного белка в производстве S-лигнина и обоснование стратегии нацеливания на челночные белки.
«Растения используют солнечную энергию для преобразования углекислого газа в сахара, которые при расщеплении выделяют энергию, которая поступает в белки-носители», - сказал Лю. «Специфические белки-переносчики доставляют эту энергию в виде электронов в различные реакции, чтобы управлять всем метаболическим процессом. Контролируя поток электронов по этим различным путям, мы потенциально можем контролировать, какие продукты производят растения, тем самым контролируя процессы преобразования и хранения углерода в организме. растения."