Откусывая свой следующий бутерброд с арахисовым маслом и желе, пожуйте вот это: у арахиса, который вы едите, есть секрет.
Это тонкий момент. Арахис и его родственники - бобовые - имеют не один, а два способа получения аминокислоты тирозина, одного из 20 необходимых для производства всех его белков и основного питательного вещества для человека. Это может показаться незначительным, но почему у этого семейства растений есть уникальный способ сделать такой важный химический строительный блок, является загадкой, которая восходит к 1960-м годам и привлекла внимание Хироси Маэда, профессора ботаники в университете. Висконсин-Мэдисон.
Мы интересуемся химией растений, пытаемся понять, как растения производят так много различных химических соединений, многие из которых важны для нашего человеческого общества как пища, клетчатка, корм, топливо, лекарство - так много вещей, - говорит Маэда.
Эти важные молекулы начинаются с более простых соединений, таких как тирозин, который является предшественником морфина и множества других интересных и полезных химических веществ.
В новом исследовании, опубликованном в выпуске журнала Nature Chemical Biology от 26 июня, Маеда и его аспирант Крейг Шенк вместе с сотрудниками из Вашингтонского университета в Сент-Луисе сообщают, как семейство бобовых эволюционировало во второй путь тирозина. Они открыли структуру нового растительного фермента, который может быть полезным инструментом для биотехнологов, пытающихся контролировать производство тирозина и его производных. И они связали основные эволюционные изменения в метаболизме растений с единственной мутацией в новом ферменте.
В 1960-х и 1970-х годах ученые исследовали растительный мир, чтобы выяснить, как они производят ключевые метаболические соединения, такие как аминокислоты. В то время как все растения использовали один путь, известный как АДГ, для производства тирозина, семейство бобовых - горох, фасоль, арахис - уникально добавили второй, называемый ПДГ, который иначе был обнаружен только у микробов. Никто не знал почему, и проблема была отложена.
Но два года назад Маэда и Шенк развеяли старую тайну. Копаясь, они обнаружили гены, ответственные за выработку тирозина. Они обнаружили, что бобовые развили свои ферменты ПДГ из существующих ферментов АДГ как раз перед тем, как арахис и горох превратились в отдельные линии. Сестринские ферменты были очень похожи, а это означало, что только небольшое количество изменений могло объяснить, как ферменты АДГ превратились в ферменты ПДГ. Но было еще слишком много изменений, чтобы тестировать их одно за другим, чтобы увидеть, какие из них оказали влияние.
Затем Маеде позвонил Джо Джез, биохимик из Вашингтонского университета. Вместе со ученицей Джеза Синтией Холланд две группы сотрудничали, чтобы очистить фермент PDH соевых бобов и определить его трехмерную структуру. Имея в руках структуру ПДГ, Шенк мог видеть, что за время эволюции в месте, где происходят химические реакции, произошла лишь пара мутаций. Вместо десятков мутаций, которые нужно было попробовать, у него было всего две.
Schenck обнаружил, что, изменив одну аминокислоту в центре фермента, он смог в значительной степени преобразовать фермент ПДГ сои обратно в его предка фермента АДГ. Переключение сработало для ферментов нескольких видов и сработало в обратном порядке: Шенк смог придать ферментам АДГ из небобовых растений свойства, подобные ПДГ..
Маэда и Шенк обнаружили, что бобовые развили новый способ производства важного химического вещества, главным образом, наткнувшись на один ключевой переключатель.
«Самый удивительный результат заключается в том, что один остаток действительно сыграл важную роль в переключении на производство этого специфичного для бобовых фермента», - говорит Маеда. «И это поднимает интересный вопрос, почему другие группы растений никогда не вырабатывали этот уникальный фермент. Потому что по чистой случайности эта мутация, возможно, произошла, но никогда не поддерживалась."
То, почему бобовые сохранили свой новый путь тирозина и какие преимущества он может дать, потребует дополнительной работы.
Еще один вывод, говорит Маеда, заключается в том, что тот же переключатель, который превращает ферменты АДГ в ферменты ПДГ, отключает способность тирозина ингибировать функцию фермента. Хотя этот вид саморегуляции обычно полезен для клеток, Маэда считает, что нечувствительность PDH к тирозину может быть благом для производства большего количества тирозина и его полезных производных в таких системах, как дрожжи или искусственные растения.
«Считается, что опийный мак, например, вырабатывает тирозин через стандартный путь АДГ, который, вероятно, ингибируется тирозином», - объясняет Шенк, который недавно защитил докторскую диссертацию в лаборатории Маеды, обсуждая возможные применения нового исследовательская работа. «Если мы сможем ввести фермент, который не ингибируется тирозином, возможно, мы сможем увеличить общий пул предшественника тирозина для увеличения производства морфина. Это может быть полезным инструментом для изучения других видов растений или даже микробов».