Ученые, изучающие биохимию растений в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, обнаружили новые подробности о биомолекулах, которые тормозят добычу нефти. Полученные данные свидетельствуют о том, что отключение этих биомолекулярных тормозов может привести к резкому увеличению добычи нефти - возможному пути к производству большого количества биотоплива и биопродуктов растительного происхождения. Исследование опубликовано в журнале Plant Physiology.
Для растительных клеток нормально подавлять выработку масла, когда мы скармливаем им избыток жирных кислот, и это исследование подтверждает нашу гипотезу о том, как они это делают. Но мы также обнаружили, что тормоза выработки масла частично связаны с даже в нормальных условиях, что стало большим сюрпризом», - сказал биохимик Брукхейвенской лаборатории Джон Шанклин, руководивший исследованием.
Это было бы похоже на то, как если бы вы несколько лет водили машину и однажды обнаружили, что стояночный тормоз, о котором вы не знали, все это время был включен. это то, что мы только что обнаружили для производства растительного масла», - сказал он.
Хрупкий баланс
Биомолекула, занимающая центральное место в этом исследовании, - фермент, определяющий скорость производства масла. Этот фермент, известный как АССаза, представляет собой белок, состоящий из четырех субъединиц, каждая из которых необходима для функционирования фермента. Имея все четыре субъединицы, фермент запускает первый этап синтеза жирных кислот, ключевых компонентов масел.
Ранее работа группы Шанклина в 2012 году показала, что, когда растительные клетки получали кратковременный избыток жирных кислот (длительностью менее двух дней), петля обратной связи ингибировала этот фермент, поэтому производство масла замедлялось. Если концентрация жирных кислот падала в течение двух дней, производство ферментов и масла возобновлялось. Но долгосрочный избыток жирных кислот навсегда отключит фермент. В то время ученые знали о нескольких способах ингибирования фермента, но ни один из этих способов не мог объяснить необратимое ингибирование, которое они наблюдали.
Когда коллеги из Университета Миссури в 2016 году обнаружили неактивную версию одной из четырех субъединиц фермента, Шанклин заподозрил, что эта неактивная субъединица может быть причиной постоянного отключения - заняв место одной из активных субъединиц в ферменте. Он разработал это новое исследование, чтобы проверить эту гипотезу.
Член группы Хуэй Лю получил растения, в которых гены, кодирующие неактивные субъединицы, были отключены по отдельности. Она использовала эти варианты для выведения растений с комбинациями отключенных субъединиц. Если бы идея Шанклина была верна, клетки с отключенными неактивными субъединицами имели бы меньшую способность выключать фермент.
«Мы подозревали, что отключение генов выключит производство масла, позволив растительным клеткам производить больше масла», - объяснил Шанклин.
Когда член команды Ян Киритавип проверил эту идею, накормив растительные клетки избытком жирных кислот, именно это и произошло: клетки с комбинациями отключенных генов не отключали выработку масла, как это делали клетки с нормальными генами.
«В клетках с отключенными генами ингибирование выработки масла было на 50% меньше, чем в растительных клетках дикого типа», - сказал Шанклин. Этот результат подтвердил, что неактивная субъединица, закодированная нормальными генами в растениях дикого типа, действительно вызывала необратимое отключение фермента.
Но большим сюрпризом стало, когда Keereetaweep измерил синтез жирных кислот в растительных клетках с отключенными неактивными субъединицами, не подкармливая их искусственным избытком жирных кислот, и сравнил результаты с результатами для растительных клеток дикого типа в тех же условиях. В тех нормальных условиях, когда вы не ожидаете снижения производства масла, ферменты, управляющие производством масла, были значительно более активны в растительных клетках с отключенными генами, чем в нормальных растительных клетках.
«Это означает, что даже в нормальных условиях неактивные субъединицы тормозят ACCase, снижая ее активность и ограничивая добычу нефти», - сказал Шанклин. «Отключение генов для этих неактивных субъединиц похоже на снятие тормозов с автомобиля, раскрывающее истинный потенциал двигателя."
«Этот проект стал отличным результатом совместной работы Киритавипа, Лю и Чжиян Чжай, направленной на то, чтобы ответить на некоторые основные научные вопросы о метаболизме растений», - отметил Шанклин. «Теперь знания, которые они получили, потенциально могут лежать в основе стратегий по увеличению накопления масла в видах растений, выращиваемых для таких применений, как биотопливо или биопродукты».