Крахмал производится только растениями и водорослями. Теперь его также можно получить с помощью дрожжей - или, во всяком случае, с помощью дрожжей в лабораториях группы под руководством Сэмюэля Зеемана, профессора биохимии растений в Институте сельскохозяйственных наук ETH Zurich. Исследователям удалось внедрить в дрожжи механизмы, которые растения используют для создания этой сохраненной формы глюкозы. «Это беспрецедентная инновация», - говорит Зееман.
Перенос растительных ферментов
Для достижения этой цели Барбара Пфистер, исследователь, возглавляющий проект, взяла чертежи семи различных ферментов, участвующих в синтезе крахмала, из генома кресс-салата (Arabidopsis thaliana). Затем они имплантировали их в геном дрожжей, из которого также удалили все ферменты, участвующие в синтезе гликогена, формы хранения глюкозы в дрожжах, чтобы эти ферменты не мешали синтезу крахмала..
В общей сложности исследователи создали более 200 штаммов дрожжей, некоторые из них со всеми семью ферментами, а другие с различными их наборами. Соответственно, штаммы продуцировали либо крахмал, очень похожий на крахмал Arabidopsis, либо вообще не производили крахмала, либо производили крахмальные продукты с различной степенью модификации..
Дрожжи на самом деле производят крахмалИсследователи использовали различные методы, чтобы выяснить, что именно производят дрожжи. В дополнение к классическому йодному тесту и различным хорошо зарекомендовавшим себя методам визуализации здесь была применена новая методика криорентгенопсихографической томографии, разработанная в Институте Пауля Шеррера, для определения массовой плотности синтезируемых продуктов внутри дрожжей.
Результат: штаммы, содержащие все семь ферментов, производили крахмал с минимальными отличиями от крахмала арабидопсиса. Однако что было удивительно, так это продукты штаммов, в которых отсутствовал один или несколько ферментов: в зависимости от комбинации некоторые из этих штаммов, тем не менее, производили тот или иной тип крахмала.
Крахнуть окольными путями
«Синтез крахмала - нелинейный процесс, - объясняет Зееман. «Если фермент отсутствует, те, которые остались, все равно продолжают работать и просто создают немного другой продукт». Исследователи смогли показать, что, в зависимости от комбинации других ферментов, синтез крахмала также работает без ферментов разветвления. Эти ферменты удаляют избыточное разветвление в цепях сахаров, образующихся во время синтеза крахмала, и ранее предполагалось, что они необходимы для образования крахмала.
«В настоящее время система дрожжей является чисто исследовательским инструментом», - говорит профессор ETH. Он объясняет, что это позволяет моделировать синтез крахмала и влиять на него, а также позволяет более подробно исследовать отдельные роли участвующих ферментов и формирование сложной структуры крахмала. «Проводить эти исследования на дрожжах гораздо быстрее и проще, чем на растениях», - подчеркивает Зееман. На вопрос о будущих применениях он добавляет: «Конечно, можно было бы опробовать новые модификации крахмала в системе дрожжей, чтобы попытаться улучшить свойства крахмала для определенных областей применения».
В новом направлении с дрожжами
В этом проекте, финансируемом SNF, группа Зеемана впервые работала с дрожжами. «Это сработало на удивление хорошо, - говорит он. Теперь Зееман и Пфистер хотят использовать дрожжевую систему для более подробного исследования синтеза крахмала на системном уровне. С этой целью группа начала работать со специалистами по математическому моделированию, чтобы смоделировать процесс в компьютерной модели.
Крахмал является важным компонентом пищевых продуктов, таких как кукуруза, рис или картофель. Он представляет большой интерес для производства биоразлагаемых материалов и находит применение во многих неожиданных областях, например, для покрытия бумаги. Таким образом, крахмал постоянно оптимизируется для различных применений.