Как биокатализатор может ускорить рост микроводорослей
Живые организмы в значительной степени состоят из соединений углерода (C) и азота (N). Они должны поступать с пищей или, в случае растений, производиться в процессе фотосинтеза.
Ранее загадочное расширение у крахмал-расщепляющего фермента у водорослей может быть своего рода сенсором для определения количества доступного в данный момент азота. Если его много, клетки водорослей быстро высвобождают множество строительных блоков для своего роста.
Исследовательская группа под руководством доктора Анйи Хемшеймайер и доктора Лизы Шольтцек из группы фотобиотехнологий Рурского университета в Бохуме (Германия) сообщает о своих новых выводах в журнале Plant Direct.
Крахмал-расщепляющий биокатализатор как сенсор азота
Оптимальный состав живой клетки определяется определенным соотношением C и N, но количества этих элементов в нашей пище и в среде растений и водорослей обычно не столь идеально сбалансированы. Поэтому живые организмы должны настраивать свой метаболизм и химический состав в зависимости от доступности этих — и других — химических строительных блоков.
В растительных организмах C-содержащие молекулы, которые не используются немедленно, запасаются в виде крахмала. Различные типы биокатализаторов — также называемых ферментами — высвобождают C-скелеты из крахмала, когда они нужны в качестве строительных блоков или источника энергии. Один из таких ферментов — альфа-амилаза, которую команда Хемшеймайер исследовала у микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii.
В процессе команда сделала удивительное открытие. «У фермента есть расширение, которое не требуется для расщепления крахмала», — объясняет Хемшеймайер, руководившая исследованием. «Эта белковая часть уже была обнаружена в аналогичной форме во многих различных ферментах, где она обычно регулирует функцию биокатализатора.
Обычно эта белковая часть чувствует небольшие соединения, играющие роль в соответствующем метаболическом пути, чтобы его скорость можно было регулировать и координировать с другими путями».
Лиза Шольтцек, ведущий автор исследования, проверила влияние многих различных веществ на активность этой амилазы. В итоге она определила одно, заметно повышающее активность фермента, а именно аминокислоту глутамин.
Это N-содержащее соединение является строительным блоком белков. У многих организмов глутамин также является первым продуктом ассимиляции азота и служит как основным источником N, так и сигналом о том, сколько азота доступно для биосинтетических путей.
Альфа-амилаза как ускоритель роста?
На сегодняшний день такая комбинация крахмал-расщепляющего фермента и сенсора глутамина в литературе не описана. Тем не менее, согласно биоинформатическим анализам, проведенным исследователями, многие микроводоросли, по-видимому, обладают именно этой комбинацией.
«Наше исследование все еще находится в зачаточном состоянии, — говорит Хемшеймайер. — Пока мы изучали этот эффект только на уровне изолированного биокатализатора из Chlamydomonas. Важным следующим шагом является изучение его в живых водорослях».
Однако у исследователей есть гипотеза. «Вполне возможно, что эта альфа-амилаза регистрирует, когда присутствует много азота. Затем она ускоряет высвобождение C-скелетов из крахмала для производства N- и C-содержащих компонентов клетки». Это может оптимизировать рост клеток, когда водоросли попадают в оптимальные условия.