Белок-такси для крахмальных гранул

Ученые ETH обнаружили специфический белок, который значительно влияет на формирование крахмала в растительных клетках. Эти открытия могут быть полезны в пищевой и упаковочной промышленности.

Крахмал служит энергетическим резервом для растений и важным источником углеводов в питании человека и животных. Он также используется в пищевой, строительной, бумажной и текстильной промышленности. Амилоза, менее усвояемый компонент крахмала, служит связующим и желирующим агентом в пищевой промышленности.

Несмотря на огромную важность крахмала, исследователи не до конца понимают, как он образуется. Группа профессора биохимии растений ETH Zurich Сама Зимана нашла важный элемент головоломки, проливающий свет на структуру крахмала. Результаты опубликованы в научном журнале PLOS Biology.

Обнаружен новый ген

В течение дня растения фотосинтезируют, производя сахара из углекислого газа воздуха для питания метаболизма. Избыток сахара преобразуется в гранулы крахмала, которые растения хранят в листьях и используют ночью, когда фотосинтез прерывается. Крахмал состоит из разных компонентов — в основном амилопектина (легко усваиваемый разветвленный полисахарид) и, в меньшей степени, амилозы (практически линейный полисахарид).

До сих пор был известен лишь один фермент, участвующий в образовании амилозы, — Granular Bound Starch Synthase (GBSS), находящийся на гранулах крахмала. Без этого фермента растения не могут производить амилозу.

В результате систематического поиска генов, активных в формировании крахмала у модельного растения резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana), группа Зимана обнаружила ген, также участвующий в создании амилозы. Этот ген кодирует белок, способный временно связываться с GBSS и крахмалом, доставляя фермент к месту назначения. Первооткрыватель гена, аспирант Дэвид Сён, назвал эту молекулу Protein Targeting to Starch (PTST).

Молекулы взаимозависимы

Исследователи провели эксперименты с мутантными растениями, чтобы выяснить роль PTST. Мутации подавляли образование PTST, что приводило к полному отсутствию амилозы у мутантов, хотя общее содержание крахмала оставалось таким же, как у диких растений. Ученые сделали вывод, что Arabidopsis обязательно зависит от PTST для образования амилозы. К их удивлению, GBSS — наиболее распространенный фермент, связанный с гранулами крахмала, — почти не обнаруживался в мутантных растениях.

Объяснение нашлось с помощью маркировки белков флуоресцентными веществами. GBSS нуждается в PTST, потому что это «такси», которое транспортирует GBSS к крахмальным гранулам. PTST ненадолго «паркуется» на поверхности формирующейся гранулы, чтобы выгрузить свой груз. После этого PTST отсоединяется, а GBSS приступает к синтезу амилозы. Кроме того, транспортный белок, по-видимому, необходим для стабильности GBSS — без PTST и связывания с гранулой крахмала он нестабилен.

Содержание крахмала по требованию?

Белок PTST присутствует не только у Arabidopsis, но и эволюционно консервативен. Он возник относительно рано в ходе эволюции растений, сохранился у расходящихся видов и с тех пор мало изменился. Следовательно, он встречается у многих других растений, включая различные виды злаков. Однако его роль в них еще предстоит выяснить.

«Это открытие, тем не менее, показывает нам возможный путь, с помощью которого мы могли бы регулировать содержание амилозы в сельскохозяйственных культурах», — поясняет Зиман.

Новые данные однажды могут быть использованы для производства чистой амилозы для промышленного применения. Амилозу можно использовать в качестве желирующего агента для соусов и пудингов, а также для производства биоразлагаемой упаковки. Открытие защищено патентной заявкой через ETH Transfer.