Исследовательская группа во главе с Институтом биомедицинских исследований Уайтхеда использовала метаболические технологии, чтобы раскрыть молекулярную активность ключевого белка, который может позволить растениям противостоять обычному гербициду. Их результаты показывают, как белок - своего рода катализатор или фермент, впервые выделенный из бактерий и введенный в растения, в том числе такие культуры, как кукуруза и соя, в 1990-х годах - иногда может действовать неточно, и как его можно успешно реконструировать, чтобы будь точнее. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Plants, поднимает стандарты биоинженерии в 21 веке.
«Наша работа подчеркивает критический аспект биоинженерии, который мы теперь технически можем решить», - говорит старший автор Цзин-Ке Венг, член Института Уайтхеда и доцент биологии Массачусетского института Технологии. «Мы знаем, что ферменты могут вести себя без разбора. Теперь у нас есть научные возможности для обнаружения их молекулярных побочных эффектов, и мы можем использовать эти знания для разработки более умных ферментов с повышенной специфичностью».
Растения представляют собой необычную модель для ученых, позволяющую изучать изменения метаболизма с течением времени. Поскольку они не могут убежать от хищников или искать новые источники пищи, когда запасы иссякают, растениям часто приходится справляться с множеством экологических угроз, используя то, что легко доступно - их собственную внутреннюю биохимию.
«Хотя растения кажутся стационарными, их метаболические системы быстро развиваются», - объясняет Венг. «Теперь мы можем получить беспрецедентное представление об этих изменениях благодаря передовым методам, таким как метаболомика, позволяющим нам анализировать метаболиты и другие биохимические вещества в широком масштабе».
Ключевыми игроками в этом эволюционном процессе и основным направлением исследований в лаборатории Венга являются ферменты. Традиционно эти встречающиеся в природе катализаторы рассматривались как мини-машины, берущие правильный исходный материал (или субстрат) и безупречно превращающие его в правильный продукт. Но Венг и другие ученые теперь признают, что совершают ошибки - часто цепляясь за непреднамеренный субстрат. «Эта концепция, известная как распущенность ферментов, имеет множество последствий как для эволюции ферментов, так и, в более широком смысле, для болезней человека», - говорит Вэн..
Это также имеет значение для биоинженерии, как недавно обнаружили Бастьен Крист, научный сотрудник лаборатории Венга, и его коллеги.
Христос, в то время аспирант лаборатории Стефана Хортенштайнера в Цюрихском университете в Швейцарии, изучал особый штамм цветкового растения Arabidopsis thaliana в рамках отдельного проекта и сделал загадочное наблюдение: два биохимических в их листьях были обнаружены необычно высокие уровни соединений.
Как ни странно, эти соединения (называемые ацетил-аминоадипатом и ацетил-триптофаном) не присутствовали ни в одном из нормальных, так называемых «диких» растений. Пока он и его коллеги искали объяснение, они остановились на источнике: ферменте под названием BAR, который был встроен в растения как своего рода химический маяк, позволяющий ученым с большей готовностью изучать их.
Но BAR - это больше, чем просто инструмент для ученых. Это также одно из наиболее часто используемых свойств генетически модифицированных культур, таких как соя, кукуруза и хлопок, что позволяет им противостоять широко используемому гербициду (известному как фосфинотрицин или глюфосинат).
На протяжении десятилетий ученые знали, что BAR, первоначально выделенный из бактерий, может сделать гербицид неактивным, присоединив короткую цепочку химических веществ, состоящих из двух атомов углерода и одного кислорода (также называемого ацетильной группой). Как исследователи описывают в своей статье Nature Plants, у него есть неразборчивая сторона, и он может воздействовать и на другие субстраты, такие как аминокислоты триптофан и аминоадипат (производное лизина).
Это объясняет, почему они могут обнаруживать непреднамеренные продукты (ацетил-триптофан и ацетил-аминоадипат) в культурах, генетически модифицированных для переноса BAR, таких как соевые бобы и рапс.
Их исследование включало в себя детальное изучение белка BAR, в том числе кристаллических структур белка, связанного с его субстратами. Это дало им план того, как стратегически изменить BAR, чтобы сделать его менее беспорядочным и отдавать предпочтение только гербициду в качестве субстрата, а не аминокислотам. Крист и его коллеги создали несколько версий, в которых отсутствует неспецифическая активность исходного белка BAR.
«Это естественные катализаторы, поэтому, когда мы заимствуем их у одного организма и помещаем в другой, они не обязательно будут идеальными для наших целей», - говорит Христос. «Сбор такого рода фундаментальных знаний о том, как работают ферменты и как их структура влияет на функцию, может научить нас, как выбирать лучшие инструменты для биоинженерии».
Есть и другие важные уроки. Когда признак BAR был впервые оценен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США - в 1995 году для использования в каноле, а в последующие годы - для других культур, метаболомика как технология для биомедицинских исследований практически не существовала. Следовательно, его нельзя применять для характеристики генетически модифицированных растений и пищевых продуктов в рамках их нормативной проверки. Тем не менее, ацетил-аминоадипат и ацетил-триптофан, которые обычно присутствуют в организме человека, были проверены FDA и безопасны для человека и животных..
Вэн и его коллеги считают, что их исследование является веским аргументом в пользу рассмотрения метаболомных анализов как части процесса обзора будущих генетически модифицированных культур. «Это поучительная история», - говорит Венг.