Растения являются одними из самых эффективных преобразователей энергии на Земле. Они улавливают солнечную энергию и преобразуют ее в соединения на основе углерода, которые используются для получения энергии, а также для создания основных компонентов растений, включая клеточные стенки, окружающие каждую клетку растения. В новом биохимическом генетическом исследовании в Университете США. Брукхейвенская национальная лаборатория Министерства энергетики США (DOE), ученые раскрывают новые детали молекулярного механизма, который помогает направлять углерод в ключевой компонент клеточной стенки.
Изучение того, как растительные клетки контролируют строительство своих внешних опор, может помочь ученым разработать новые способы либо способствовать хранению углерода в этих структурах, либо способствовать преобразованию углеродсодержащей биомассы в биотопливо и другие полезные продукты.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Plants, сообщается, что два белка, встроенные в мембраны внутри растительных клеток, служат каркасом для организации трех ключевых ферментов, которые направляют углерод для синтеза полимера клеточной стенки, называемого лигнином.
Лигнин необходим для способности растений расти вертикально и представляет собой существенный компонент растений для хранения углерода. Но поскольку он окружает другие компоненты клеточной стенки - целлюлозу и гемицеллюлозу - лигнин защищает эти богатые углеродом вещества от биохимических процессов, обычно используемых для их преобразования в топливо или другие биопродукты. Понимание деталей синтеза лигнина, в частности, может дать подсказки о том, как решить эту проблему.
Эти три фермента устанавливают структурные характеристики биохимических строительных блоков, известных как монолигнолы, которые соединяются, образуя лигнин. Ранее ученые считали, что эти ферменты связаны друг с другом и служат якорными участками для организации синтеза монолигнолов.
«Мы начали этот проект, чтобы детально изучить взаимодействие этих трех ферментов», - сказал биохимик из Брукхейвена и руководитель проекта Чанг-Джун Лю. «Мы обнаружили, что хотя три фермента расположены рядом друг с другом на мембране, известной как эндоплазматический ретикулум, они не взаимодействуют напрямую. Вместо этого два отдельных белка взаимодействуют со всеми тремя ферментами».
Отдельные белки представляют собой «мембранные стероид-связывающие белки» (MSBP), встроенные в эндоплазматический ретикулум - внутреннюю «магистраль» клеток, состоящую из мембран, выстланных молекулярными машинами, которые производят белки и транспортируют эти продукты внутрь или из клеток.
«Эти белки, связанные с мембраной, служат каркасом для организации и стабилизации трех ферментов в тип молекулярного механизма, который контролирует метаболический путь, направляющий углерод специально для создания предшественников лигнина», - сказал Лю.
Наличие ферментов, участвующих в последовательных этапах метаболического пути, организованных пространственно близко друг к другу, может повысить эффективность этого пути, отметил Лю. Но подробности того, как организованы ферменты биосинтеза монолигнола, до этого исследования были неясны.
Детали исследования
«Мы начали с поиска доказательств прямого взаимодействия между ферментами биосинтеза монолигнола», - сказал Лю. Они использовали биохимические методы в культурах клеток дрожжей, которые часто используются в качестве модельной системы для изучения белок-белковых взаимодействий. Но не обнаружив никаких взаимодействий, что стало неожиданностью, они повторили исследования на культурах клеток растений.
В этих исследованиях ученые использовали методы флуоресцентной маркировки и визуализации, чтобы найти белки в растительных клетках. На этот раз их результаты подтвердили, что все три фермента расположены рядом друг с другом вдоль эндоплазматического ретикулума, что указывает на взаимодействие..
Противоречие результатов между этими двумя анализами показало нам, что взаимодействия трех ферментов, наблюдаемые с помощью флуоресцентной визуализации, могли быть косвенными, и предположило, что дополнительные белки или факторы могут опосредовать ассоциацию между ферментами in vivo., - сказал Лю.
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые создали три фермента для слияния со специфическими метками и произвели их в растительных клетках. Затем они извлекли эти ферменты из клеток и исследовали все белки, которые вышли вместе с тремя ферментами. Эти исследования с использованием масс-спектрометрии в сочетании с жидкостной хроматографией выявили два белка, связывающих мембранные стероиды, которые сопровождали три фермента. Ученые также показали, что мембранные белки, связывающие стероиды, могут связываться сами с собой или друг с другом, образуя белковые кластеры.
«Эти наблюдения убедительно свидетельствуют о том, что MSBP организуют ферменты биосинтеза монолигнола в мультимерный белковый комплекс или ферментативный кластер», - сказал Лю.
«При таком типе организации три фермента могут располагаться близко друг к другу, не обязательно вступая в прямое взаимодействие», - добавил он. Такое расположение поможет стимулировать синтез лигнина, удерживая ферменты и их общий кофактор рядом друг с другом в достаточно высоких концентрациях для эффективного переноса углеродных субстратов и электронов, необходимых для эффективных химических реакций..
Чтобы проверить роль MSBP, ученые создали линии растений, в которых гены этих белков были подавлены. Хотя эти растения все еще могли вырабатывать три фермента синтеза монолигнола, в итоге они получали значительно меньше лигнина.
Кроме того, такое подавление не повлияло на образование другого близкородственного класса химических веществ, для синтеза которых требуется один из трех ферментов синтеза монолигнола.
Эти данные убедили ученых в том, что организация ферментов, опосредованная MSBP, специфически способствует образованию лигнина.
Экспериментальная работа была проведена научным сотрудником с докторской степенью Мингюе Гоу и Сюжи Ран, приглашенным ученым в группе Лю в Брукхейвенской лаборатории. Дуайт Мартин из Университета Стоуни-Брук оказал помощь в секвенировании белков и депонировании данных.
Работа финансировалась Управлением науки Министерства энергетики и использовала конфокальный микроскоп в Центре функциональных наноматериалов (CFN), который является пользовательским учреждением Управления науки Министерства энергетики в Брукхейвенской национальной лаборатории. Анализ белковой последовательности был частично поддержан Центром структуры и образования лигноцеллюлозы, исследовательским центром Министерства энергетики США по передовым энергетическим исследованиям под руководством Университета штата Пенсильвания..