Поскольку растения не могут встать и убежать, вместо этого они должны были быть умными. Это химики живого мира, производящие сотни тысяч маленьких молекул, которые они используют в качестве солнцезащитных средств, чтобы отравить травоядных, для ароматизации воздуха, для окрашивания цветов и для многих других секретных растительных дел.
Исторически эти химические вещества, называемые «вторичными метаболитами», отличались от «первичных метаболитов», которые являются строительными блоками белков, жиров, сахаров и ДНК. Вторичные метаболиты облегчают жизнь, но первичные метаболиты необходимы, и неспособность их правильно и эффективно производить фатально.
Считается, что вторичный метаболизм развился, чтобы помочь предкам растений справляться с жизнью на суше, а не в более гостеприимных океанах. Идея состоит в том, что гены ферментов в молекулярных сборочных линиях первичного метаболизма были продублированы. Дубликаты были более терпимы к мутациям, которые могли дестабилизировать первичные пути, потому что оригиналы все еще работали. С ослаблением эволюционных ограничений синтетический механизм смог накопить достаточно мутаций, чтобы создать новую химию.
Первичный метаболизм, однако, в значительной степени законсервирован, а это означает, что он остается неизменным во многих различных группах организмов, потому что он был точно настроен на правильную и эффективную работу и потому что его продукты необходимы для жизни. Или так написано в учебниках.
Но теперь совместная группа ученых поймала первичный метаболизм в процессе эволюции. В ходе всестороннего исследования сборочной линии первичного метаболизма у растений они обнаружили ключевой фермент, эволюционирующий от канонической формы, которой обладает большинство растений, через неканонические формы в помидорах к форме с переключением, обнаруживаемой в арахисе, и, наконец, вступая в действие. новая форма у некоторых сортов соевых бобов.
Этот подвиг, сравнимый с вытаскиванием скатерти из-под посуды, не разбив ни одной из них, описан в выпуске журнала Nature Chemical Biology от 26 июня. Это результат совместной работы лаборатории Маэда в Университете Висконсина, которая проявляет давний интерес к этому биохимическому пути, и лаборатории Джез в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, которая кристаллизовала соевый фермент, чтобы показать, как природа изменила то, как белок работает.
«Работа запечатлела растения в процессе построения пути, связывающего первичный и вторичный метаболизм», - сказал Джозеф Джез, профессор Медицинского института Говарда Хьюза на кафедре биологии в области искусств и наук.«Наконец-то мы видим, как эволюция создает механизмы для создания новых молекул».
Это также может иметь практическое значение, потому что старый и новый пути производят аминокислоту тирозин, которая является предшественником многих вторичных метаболитов с биологической и фармацевтической активностью - от витамина Е до опиоидов. Но по старому пути получается лишь небольшое количество этих соединений, отчасти потому, что они должны конкурировать за атомы углерода с жадным процессом производства лигнина, прочных полимеров, которые позволяют растениям стоять высоко.
Открытие нового пути производства тирозина гораздо менее ограничено, чем старый. Это повышает вероятность того, что поток углерода может быть направлен в сторону от лигнина, увеличивая выход лекарств или питательных веществ до уровней, позволяющих производить их в коммерческих количествах.
История о двух ферментах
Тирозин производится на конвейере, называемом путем шикимате, семиэтапным метаболическим путем, который растения используют для производства трех аминокислот с ароматическими кольцами. Животные (включая людей) утратили способность возводить этот конвейер глубоко в эволюционном прошлом. Поскольку мы не можем производить эти аминокислоты самостоятельно, и они необходимы для жизни, вместо этого мы должны получать их, употребляя в пищу растения или грибы.
Это ароматическое кольцо важно, сказал Джез, потому что это особая структура, способная поглощать свет или энергию. Таким образом, ароматические аминокислоты также являются предшественниками многих вторичных метаболитов, которые улавливают свет, переносят электроны или окрашивают цветы. Более того, ароматические аминокислоты также являются предшественниками химических веществ, которые отравляют другие растения или хищников растений и привлекают опылителей. Джез прокомментировал, что многие лекарственные препараты содержат ароматическое кольцо.
У большинства растений шикиматный путь находится в хлоропласте, органелле, которая выполняет работу по преобразованию энергии солнечного света в энергию, хранящуюся в углеродных связях. Однако после образования тирозин может быть экспортирован из цитозоля для включения или превращения в другие соединения.
На последнем этапе одной ветви пути фермент, называемый арогенатдегидрогеназой (АДГ), катализирует реакцию, превращающую арогенат соединения в тирозин. Фермент АДГ считается «регуляторным», потому что он является узким местом в производстве тирозина. Он должен конкурировать за арогенатный субстрат с ветвью шикиматного пути, производящего другую ароматическую аминокислоту, и сильно ингибируется накоплением тирозина
Активность АДГ распространена среди растений, но в ходе изучения пути шикимата лаборатория Маэда обнаружила, что последовательности ДНК, кодирующие АДГ, у некоторых цветковых растений значительно отличаются от таковых у большинства растений. Они назвали ферменты, продуцируемые этими последовательностями, неканоническими ADH. Затем, в 2014 году, они сообщили, что некоторые бобовые также производят тирозин с помощью другого фермента, называемого префенатдегидрогеназой (ПДГ).
PDH во многом отличается от ADH. Он активен вне хлоропласта, он действует на префенат субстрата, а не на арогенат, поскольку он находится вне хлоропласта, ему не приходится конкурировать за свой субстрат с другими ветвями шикиматного пути, и он не ингибируется повышением уровня тирозин.
Почему существуют две разные линии сборки тирозина? Ученые считают, что фермент ПДГ развился в результате двух событий дупликации генов и накопления мутаций в «лишних» копиях гена. Первое событие привело к нестандартным АДГ у некоторых цветковых растений, а второе - к ПДГ у подмножества бобовых. Но почему это произошло?
Это не тот вопрос, на который ученые могут ответить, кроме как в общих чертах, сказал Джез. Однако бросается в глаза то, что метаболический путь, появившийся совсем недавно, не регулируется жестко и потенциально может производить продукт в лихорадочном темпе. Возможно, бобовые по какой-то причине остро нуждались во вторичных метаболитах. Конечно, подозрительно, что экология бобовых сильно отличается от экологии других растений, поскольку они живут в симбиозе с азотфиксирующими бактериями.
Играем с битами
К этому моменту ученые уже знали, что новый фермент ПДГ связывает субстрат, отличный от исходного фермента АДГ. Они также знали, что ПДГ, в отличие от АДГ, не связывает сам тирозин. Но какие изменения в структуре привели к этим различиям в химической активности?
Чтобы это выяснить, Крейг Шенк, аспирант лаборатории Маэда, сравнил последовательности генов фермента АДГ или ПДГ у многих разных растений, тщательно отобранных таким образом, чтобы они находились на границе перехода от одного фермента к другому. Другой. Но они столкнулись с проблемой. По словам Джеза, различий в ДНК было достаточно, чтобы понять, что имеет значение.
Встретив Маэду на конференции, Джез предложил попробовать кристаллизовать новые ферменты, чтобы их структуру можно было реконструировать по рентгеновским изображениям. Его аспирант Синтия Холланд смогла кристаллизовать PDH сои и получить подробные изображения ее трехмерной формы.
«Посмотрев на структуру, вы увидели, что есть только два отличия от типичного АДГ, обнаруженного у большинства растений, и только одно из различий действительно изменило ситуацию», - сказал Джез. Удивительно, но разница заключалась в одной аминокислоте в активном центре фермента. В этом месте аспарагин заменил аспарагиновую кислоту.
Schenck перепроверил это структурное понимание, перевернув эту аминокислоту в мутантных формах фермента. Оказалось, что мутант ADH обладает активностью PDH, а мутант PDH обладает активностью ADH, как и предполагала команда..
«Это единственное различие меняет предпочтительный субстрат фермента и его способность ингибироваться обратной связью по тирозину», - сказал Джез. «И если вы посмотрите на это, это буквально разница между атомом азота и атомом кислорода. В этих белках, которые состоят из почти трехсот аминокислот или сорока двухсот атомов, один атом имеет все значение. просто круто."
Работа важна, потому что она демонстрирует, что первичный метаболизм действительно эволюционирует. И потому что это показывает, как природа крадет механизмы из первичного метаболизма и собирает их вместе для создания новых вторичных метаболитов. Они делают это с гораздо большей изяществом, чем это могут сделать генетические инженеры.
«Когда мы хотим, чтобы растение произвело новую молекулу, - сказал Джез, - мы добавляем ген и надеемся, что он интегрируется с существующими путями. загляните и то, что уже есть. Так что интересно посмотреть, как природа ухитрилась соединить проводку и изменить вещи, не сломав их."