Даже растениям приходится жить за счет энергетического бюджета. Хотя они известны преобразованием солнечной энергии в химическую энергию в виде сахаров, растения обладают сложными биохимическими механизмами для регулирования того, как они тратят эту энергию. Изготовление масел стоит дорого.
Изучая детали этого тонкого энергетического баланса, группа ученых из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США выявила ранее неизвестную связь между белком, который поддерживает баланс сахара в растениях, и белком, который включает производство масла. Биохимическая детективная работа, описанная в журнале The Plant Cell, указывает на новые стратегии использования энергии, полученной растениями от солнца, для производства биотоплива на основе нефти и других биоматериалов..
«Это исследование показывает, как понимание фундаментальной биохимии и клеточной биологии может быть потенциально полезным для увеличения производства желаемых растительных продуктов», - сказал старший биохимик Брукхейвенской лаборатории Джон Шанклин, который руководил исследованием. «Это пример фундаментальной науки, указывающий на способы улучшения сельскохозяйственных культур, чтобы производить больше того, что мы хотим».
Команда Шанклина, в которую входят научный сотрудник с докторской степенью Чжиян Чжай и научный сотрудник Хуэй Лю, исследовала роль генетических и биохимических факторов, которые могут обеспечить связь между уровнями сахара в растениях и производством масла.
«Мы много знаем о гомеостазе сахара - механизмах, поддерживающих уровень сахара на нужном уровне», - сказал Шанклин. «Одним из ключевых игроков является белок, который контролирует уровень сахара так же, как термостат контролирует температуру».
Когда уровень сахара низкий, этот белок, известный как KIN10, добавляет фосфатную группу к тысяче различных белков, чтобы изменить их функции таким образом, чтобы в конечном итоге повысить уровень сахара, объяснил Шанклин. По мере увеличения уровня сахара способность KIN10 фосфорилировать белки подавляется, что замедляет выработку сахара.
Кроме того, при наличии большого количества сахара растения могут инвестировать в энергоемкие процессы, такие как производство масел. Но когда уровень сахара падает, производство масла замедляется. Так что Шанклин заподозрил связь между этими двумя процессами.
Его команда начала с изучения примерно 1000 белков, фосфорилированных KIN10, но не нашла связи с синтезом масла, которую они искали. Поэтому ученые сосредоточили свое внимание на главном регуляторном белке, который, как известно, контролирует синтез масла.
«Этот белок, известный как WRINKLED1, включает гены, производящие масло», - сказал Шанклин.
Чтобы проверить связь между двумя регуляторными белками, мы использовали систему экспресс-генетического анализа для экспрессии генов (и комбинаций генов) в листьях табака, а затем использовали иммунологические методы для измерения белков, продуцируемых этими генами, и количественный анализ для измерения масла», - сказал Чжай, постдоктор, проводивший многие эксперименты.
«Это была сложная детективная история, которую Чжай решил творчески, - сказал Шанклин. «Он объединил ряд различных биохимических и генетических методов, чтобы решить эту загадку».
Когда ученые экспрессировали ген WRINKLED1 в листьях табака, этот белок «включенного» производства масла накапливался вместе с маслом. Однако, когда они также экспрессировали ген KIN10, белок WRINKLED1 деградировал и накапливалось мало масла. Это говорит о том, что WRINKLED1 каким-то образом стал целью KIN10 - ранее неизвестное соединение.
Для дальнейшего изучения связи команда очистила эти белки (KIN10 и WRINKLED1) и использовала радиоактивную форму элемента фосфора для отслеживания реакции фосфорилирования. Когда присутствовал KIN10, атомы радиоактивного фосфора переносились на WRINKLED1, скорее всего, на двух сайтах, которые команда предположила как сайты-мишени KIN10 после анализа последовательности белка.
«Мы подтвердили идентичность двух сайтов, создав генетические варианты WRINKLED1, в которых они отсутствовали, и показали, что эти варианты не фосфорилируются с помощью KIN10», - сказал Шанклин. «И когда мы проверили экспрессию модифицированных вариантов в листьях табака, WRINKLED1 накопился до более высоких уровней».
Причина, как объяснил Шанклин, заключается в том, что фосфорилирование маркирует и подготавливает WRINKLED1 к разрушению естественным механизмом рециркуляции клеточного белка.
Таким образом, эта работа обеспечивает механистическую связь между уровнем сахара и производством масла.
«Когда сахара мало, KIN10 фосфорилирует WRINKLED1, помечая его для уничтожения, поэтому меньше WRINKLED1 доступно для включения производства масла», - сказал Шанклин. «И наоборот, когда уровень сахара повышается - в хорошие времена - KIN10 отключается, а уровень WRINKLED1 повышается и стимулирует производство масла».
Подробности исследования предлагают ученым несколько возможных способов модификации WRINKLED1, чтобы попытаться «обмануть» растения, заставив их производить больше масла: один - изменить сайты, которые фосфорилируются; другой - вмешиваться в сайты, которые позволяют фосфорилированному белку проникать в механизм рециркуляции.
«Природа делает генетические «выключатели» недолговечными, чтобы обеспечить быструю реакцию на изменение метаболических условий», - сказал Шанклин. «Поэтому нам не нужно увеличивать производство масла «включено», нам просто нужно предотвратить деградацию белка, чтобы он накапливался и мы получали более сильные эффекты».
Эти новые знания о механизмах деградации WRINKLED1 могут помочь метаболическим инженерам достичь своей цели - превратить растительные масла в устойчивый ресурс для производства биотоплива и других химических продуктов.