Растительные ферменты десатуразы объединяются для эффективного метаболизма
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США обнаружили, что некоторые ферменты, ответственные за десатурацию жирных кислот — строительных блоков масел, — могут объединяться, чтобы эффективно передавать промежуточные продукты от одного фермента другому. «Инженерия этих взаимодействий ферментов для направления метаболитов по желаемым метаболическим путям может стать новым подходом для создания растений, производящих полезные продукты», — заявил биохимик Джон Шэнклин, ведущий автор статьи в Journal of Biological Chemistry.
Возможными результатами могут быть, например, накопление растениями высоких уровней более полезных полиненасыщенных жирных кислот или необычных жирных кислот, которые можно использовать в качестве сырья вместо нефтехимических продуктов в промышленных процессах.
Метаболический челночный механизм
Идея заключается в использовании процесса, называемого метаболическим челночным механизмом (channeling), при котором ферменты, действующие последовательно в определенном метаболическом пути, взаимодействуют друг с другом, чтобы передавать молекулы, не выпуская их в общий метаболический пул клетки. Такое тесное расположение ферментов также предотвращает попадание промежуточных продуктов в другие метаболические каналы.
Предыдущие исследования группы Шэнклина показали, что особый тип десатуразы, свободно плавающей в пластидах растений (мини-органеллах, где происходят многие метаболические процессы, включая фотосинтез), объединяется в пары (димеры). Группа также изучала пекарские дрожжи и установила, что их мембраносвязанная десатураза также образует димеры. Однако подобные макромолекулярные структуры у мембраносвязанных десатураз (FADs) высших растений ранее не изучались. В текущем исследовании использовался молекулярно-генетический подход для изучения организации мембранных десатураз, обнаруженных в пластидах и эндоплазматическом ретикулуме (другой мембранной структуре внутри клеток) растения Arabidopsis.
Постдокторант Ин Лу, работающая в лаборатории Шэнклина, использовала несколько независимых методов би-молекулярной комплементации (методов, которые дают сигнал, если два тестируемых белка соединяются), чтобы установить, какие десатуразы взаимодействуют сами с собой или друг с другом.
Ученые обнаружили, что все изученные мембранные десатуразы растений способны образовывать самоассоциирующиеся димеры в растительных клетках — пары из двух идентичных молекул фермента. Они также выяснили, что определенные десатуразы с разными функциями также могут объединяться в пары, а другие — нет.
«Естественно спаривающиеся ферменты демонстрируют интересные закономерности, — сказал Шэнклин. — Они находятся в одних и тех же субклеточных локализациях и участвуют в последующих шагах одного и того же метаболического пути, что указывает на физиологическую причину наблюдаемых взаимодействий».
«Другие ожидаемые нами взаимодействия между очень похожими десатуразами из разных локализаций не произошли», — добавил он.
Чтобы проверить гипотезу о совместной работе спаренных ферментов, ученые провели серию экспериментов по анализу метаболического потока, используя опыт биохимика Йорга Швендера. Этот метод отслеживает меченые по массе соединения через различные реакционные пути.
«Представьте карту города с множеством маршрутов из точки A в точку B. Этот метод показывает, сколько молекул проходит по каждому пути», — пояснил Швендер.
Анализ показал, что одна из естественных пар ферментов выполняла два этапа определенного метаболического процесса без высвобождения промежуточного продукта.
«Это было явным доказательством того, что эти два связанных фермента работают согласованно, направляя метаболиты по этому метаболическому пути эффективным образом в живых растительных клетках, — сказал Шэнклин. — Наши результаты позволяют предположить, что генетические методы могут быть использованы для внедрения подобных взаимодействий в другие десатуразные ферменты, включая те, которые естественным образом не ассоциируются, чтобы направлять метаболиты по желаемым путям для производства полезных продуктов».