"Наше исследование раскрывает давно упускаемую из виду сложность и универсальность ключевого набора ферментов, известных как монооксигеназы цитохрома Р450", - сказал ведущий автор исследования Чанг-Джун Лю из биологического отдела Брукхейвенской лаборатории. "Эти ферменты работают как синтетическая машина для производства широкого спектра ароматических соединений в растениях, включая соединения, которые создают водонепроницаемый скелет растений и сосудистую сеть, а также другие, которые обеспечивают защиту от нашествий насекомых и ультрафиолетового излучения".

Раскрытие сложности того, как регулируются эти ферменты, предоставляет новый набор генетических инструментов, которые ученые могут использовать для точного контроля того, какие соединения вырабатываются в различный части растения. Эта работа могла бы способствовать долгосрочному накоплению углерода и углеродно-нейтральному использованию растительной биомассы для энергетических целей, улучшению питательных свойств растений или повышению их устойчивости к болезням и суровым условиям окружающей среды.

Молекулярный механизм

Ученым давно известно, что ферменты Р450 не работают в одиночку для определения структурных и биологических особенностей ароматических соединений.

"Чтобы заставить работать машины P450, им нужны молекулы-партнеры для доставки электронов. Эти электроны действуют как источник энергии для подпитки машины", - объяснил Лю.

Традиционно ученые считали, что Р450 в первую очередь взаимодействуют с общим донором электронов, называемым цитохром р450редуктазой, с образованием различных ароматических соединений. Но новое исследование показывает, что разные P450 избирательно взаимодействуют с разными донорами электронов (и цепочками переноса электронов), чтобы стимулировать их активность. Более того, исследователи обнаружили, что один и тот же фермент Р450 может использовать различные доноры электронов и цепи переноса электронов в разных частях растения - стеблях, листьях и семенах - для получения различных классов ароматических соединений.

Ученые сделали эти открытия, проанализировав ароматические соединения, которые накапливались в разных частях растений, в которых были избирательно удалены гены для разных доноров электронов.

"Отключив эти гены, мы смогли определить вклад различных доноров электронов, определив, какие из них стимулируют выработку различных ароматических соединений в разных частях растения", - сказал Лю. "Затем в дрожжевых клетках мы повторно собрали различные цепи переноса электронов в сочетании с растительными ферментами Р450, чтобы имитировать реакции в растениях. Эти исследования помогли нам проверить вклад отдельных доноров электронов и транспортных цепей в поддержку активности Р450".

Экспериментальная работа в основном проводилась постдокторским исследователем Сяньхаем Чжао под руководством Лю.

"Растения развили ряд гомологичных генов для доноров электронов, - объяснил Чжао, - поэтому нам нужно было создать растения с делециями отдельных генов и комбинациями генов. Затем мы изучили изменения в распределении ароматических веществ в продуктах в ходе развития растений".

"Мы также провели всесторонний сравнительный анализ экспрессии генов-доноров электронов и обилия молекул-источников электронов в разных частях растения и измерили скорости переноса электронов в различных транспортных цепях", - добавил Чжао.

Эти эксперименты помогли ученым определить основные причины, по которым определенные ферменты Р450 взаимодействуют с различными цепями переноса электронов в разных частях растения.

Следующие шаги

Полученные знания предоставляют ученым новый набор генетических инструментов, которыми они могут манипулировать для контроля производства ароматических веществ.

"Мы можем манипулировать конкретными донорами электронов - вместо P450s - для подавления определенного набора ароматических соединений и достижения желаемого результата", - сказал Лю.

Например, уменьшение содержания ароматического соединения, известного как лигнин, в стеблях может облегчить расщепление растений и превращение их в биотопливо. Снижение уровня определенных ароматических веществ в семенах может повысить их питательную ценность.

"Подробные знания, представленные в этом исследовании, позволяют нам вносить определенные изменения в одну часть растения, не затрагивая другую - например, накопление ароматических соединений, которые обеспечивают защиту от ультрафиолета в листьях", - сказал Лю.

Команда Брукхейвена планирует протестировать эти стратегии генетических манипуляций для оптимизации биоэнергетических культур. Они также проведут дальнейшие исследования с использованием криоэлектронных микроскопов в лаборатории биомолекулярной структуры Брукхейвена, чтобы понять детали на атомном уровне, которые управляют избирательными партнерствами между ферментами Р450 и конкретными донорами электронов.

"Изучение молекулярной основы селективной ассоциации Р450 с донором электронов поможет нам лучше понять, как работает система Р450", - сказал Лю. "Это, в свою очередь, позволит нам потенциально создать более эффективные ферментные системы для производства желаемых биопродуктов и улучшить конверсию и хранение углерода, получаемого в результате фотосинтеза".

Эта работа финансировалась Управлением науки Министерства здравоохранения (BES). В этом исследовании использовался конфокальный микроскоп в Центре функциональных наноматериалов Брукхейвенской лаборатории, пользовательском центре Министерства науки США.