Растения могут делать много удивительных вещей. Среди их талантов они могут производить соединения, которые помогают им отпугивать вредителей, привлекать опылителей, лечить инфекции и защищать себя от избыточных температур, засухи и других опасностей в окружающей среде.
Исследователи из Института Солка, изучающие, как растения развили способность производить эти природные химические вещества, обнаружили, как эволюционировал фермент под названием халконизомераза, позволяющий растениям производить продукты, жизненно важные для их собственного выживания. Исследователи надеются, что эти знания помогут в производстве продуктов, полезных для человека, включая лекарства и улучшенные сельскохозяйственные культуры. Исследование появилось в печатной версии ACS Catalysis 6 сентября 2019 года.
«С тех пор как примерно 450 миллионов лет назад на Земле впервые появились наземные растения, они разработали сложную метаболическую систему для преобразования углекислого газа из атмосферы в множество природных химических веществ в своих корнях, побегах и семенах», - говорит Солк. Профессор Джозеф Ноэль, старший автор статьи. «Это кульминация работы, которую мы проводили в моей лаборатории в течение последних 20 лет, пытаясь понять химическую эволюцию растений. Это дает нам подробные сведения о том, как растения развили эту уникальную способность производить некоторые очень необычные, но важные молекулы»."
Предыдущее исследование в лаборатории Ноэля изучало, как эти ферменты развились из неферментных белков, включая изучение их более примитивных версий, которые появляются в таких организмах, как бактерии и грибы.
Являясь ферментом, халконизомераза действует как катализатор, ускоряющий химические реакции в растениях. Это также помогает гарантировать, что химические вещества, которые производятся на заводе, имеют правильную форму, поскольку молекулы с одной и той же химической формулой могут принимать две разные вариации, которые являются зеркальным отражением друг друга (так называемые изомеры)..
«В фармацевтической промышленности важно, чтобы лекарства производились правильной версии или изомера, потому что использование неправильной версии может привести к непреднамеренным побочным эффектам», - говорит Ноэль, директор компании Salk’s Jack H. Skirball Центр химической биологии и протеомики и занимает кафедру Артура и Джули Вудроу. «Изучая, как работает халконизомераза, мы можем узнать больше о том, как ускорить производство правильных изомеров фармацевтических препаратов и других продуктов, которые могут быть важны для здоровья человека».
В текущем исследовании исследователи использовали несколько методов структурной биологии для изучения уникальной формы фермента и того, как его форма изменяется при взаимодействии с другими молекулами. Они точно определили часть структуры халконизомеразы, которая позволяла ей невероятно быстро катализировать реакции, а также обеспечивала образование правильного биологически активного изомера. Эти реакции приводят к целому ряду действий в растениях, включая преобразование первичных метаболитов, таких как фенилаланин и тирозин, в жизненно важные специализированные молекулы, называемые флавоноидами..
Оказалось, что одна конкретная аминокислота, аргинин, которая была одной из многих аминокислот, связанных вместе в халконизомеразе, находилась в месте, сформированном эволюцией, что позволило ей играть ключевую роль в реакциях халконизомеразы. были катализированы.
«Выполняя структурные исследования и компьютерное моделирование, мы смогли увидеть очень точное положение аргинина в активном центре фермента по мере протекания реакции», - говорит первый автор Джейсон Берк, бывший постдокторант лаборатории Ноэля, который сейчас доцент Калифорнийского государственного университета в Сан-Бернардино. «Без этого аргинина он не работает так же."
Берк добавляет, что химики-органики давно ищут катализатор этого типа. «Это пример того, как природа уже решила проблему, над которой химики долго думали», - добавляет он.
«Понимая халконизомеразу, мы можем создать новый набор инструментов, который химики смогут использовать для изучаемых ими реакций», - говорит Ноэль. «Абсолютно необходимо иметь такие фундаментальные знания, чтобы иметь возможность проектировать молекулярные системы, которые могут выполнять конкретную задачу даже в следующем поколении питательных культур, способных преобразовывать углекислый газ, вызывающий парниковый эффект, в молекулы, необходимые для жизни».