Ученые из Института Солка и Университета Пердью обнаружили в растениях переключатель, который отключает выработку терпеноидов - богатых углеродом соединений, которые играют важную роль в физиологии растений и используются людьми во всем, от ароматизаторов и ароматизаторов до биотоплива и фармацевтических препаратов.
Растительные терпеноиды содержатся в пищевых добавках, натуральных инсектицидах и препаратах, используемых для лечения малярии и рака. Химиотерапевтический препарат Таксол, который используется для лечения рака молочной железы, яичников, легких, мочевого пузыря и простаты, представляет собой растительный терпеноид. Но заводы часто производят их в таких малых количествах, что извлечение их для таких целей является дорогостоящим и часто нецелесообразным.
Выводы были опубликованы в журнале Nature Plants 20 августа 2018 года.
"Несколько лет назад моя лаборатория обнаружила новый фермент изопентенилфосфаткиназу (IPK), обнаруженный во всех растениях, который регулирует приливы и отливы живых молекул на основе углерода, называемых терпеноидами. Как это часто бывает в науке, мы впервые разгадали роль этого фермента в совершенно других организмах, бактериях и очень древней группе живых организмов, называемых археями», - говорит профессор Джозеф П. Ноэль, директор Центра биологии и протеомики им. Джека Х. Скирболла Солка, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. и соавтор статьи. «Выяснив трехмерную структуру и химию этого фермента, о которых сообщалось в ACS Chemical Biology и eLife в 2010 и 2013 годах соответственно, мы обнаружили, что ранее неизвестный ген, обнаруженный во всех растениях, кодирует тот же самый фермент, который первоначально был обнаружен у микробов."
Поскольку терпеноиды потребляют значительное количество углерода и энергии в растениях, было признано, что их образование должно находиться под жестким контролем, чтобы они производились только тогда, когда они важны для бактерий или растений-хозяев.
Для написания статьи лаборатория Ноэля объединилась с лабораторией соавтора Натальи Дударевой, заслуженного профессора кафедры биохимии Purdue и исследователя Центра биологии растений Purdue, чтобы выяснить, как растения включаются и от метаболических путей, контролирующих приливы и отливы производства терпеноидов, регулируя доступность их химических исходных материалов.
Команда Salk-Purdue ранее определила, как растения включают производство терпеноидов, но важно понимать как «включение», так и «выключение» - переключатели инь и ян - а также узкие места для потока. для понимания и, в конечном счете, настройки выхода терпеноидов.
«Это важные базовые знания, которые открывают новые цели для инженерии метаболических путей терпеноидов», - говорит Дударева. «Растения уже производят эти соединения, но их количество невелико. Возможно, потребовались сотни или тысячи растений, чтобы получить достаточно соединения, чтобы использовать его для чего-то вроде фармацевтики. Этот новый набор непредвиденных открытий приведет к более быстрому и эффективному способ получения достаточного количества этих продуктов на благо человека."
IPK превращают химические пулы инертных строительных блоков монофосфатных терпеноидов в готовые к использованию строительные блоки дифосфата. Используя комплексный подход, включающий структурную биологию, биохимию, генетику растений и синтетическую биологию, исследовательская группа определила, что два фермента Nudix являются недостающими звеньями, ответственными за удаление фосфатной группы, чтобы вернуть активные дифосфаты терпеноидов обратно в инертный пул терпеноидов. монофосфаты.
«Семейство ферментов гидролазы Nudix консервативно во всех организмах, однако их биологическая роль в значительной степени не определена. Здесь мы раскрываем неожиданную и новую функцию членов этого семейства в растениях», - отмечает соавтор Сюзанна Томас., научный сотрудник лаборатории Ноэля.
«Мы показали, что IPK и Nudix работают вместе, чтобы регулировать образование терпеноидных продуктов в дальнейшем», - говорит соавтор Лаура Генри, недавняя выпускница докторской диссертации в лаборатории Дударевой, которая сейчас работает химиком-аналитиком в исследовательской группе Heritage. «Некоторые из этих продуктов могут быть токсичными для растений, если растения производят их слишком много. Вот как растения регулируют свою продукцию».
Среди других авторов были Джошуа Р. Видхалм, Джозеф Х. Линч, Томас К. Дэвис и Шэрон А. Кесслер из Purdue; и Йорг Болманн из Университета Британской Колумбии.
Работа финансировалась Национальным институтом продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США, Университетом Пердью, Медицинским институтом Говарда Хьюза и кафедрой Артура и Джули Вудроу в Институте Солка.