Палочники справляются с трудноперевариваемой пищей благодаря многофункциональным ферментам

Новое исследование Института химической экологии Макса Планка (Йена, Германия) опровергает старую теорию. Ученые обнаружили, что палочники (Phasmatodea) производят целлюлазы, способные одинаково эффективно расщеплять несколько типов полимеров клеточной стенки растений.

Целлюлоза, ксилан и ксилоглюкан — важные компоненты растительных клеточных стенок. Все палочники унаследовали множественные копии генов целлюлаз, чьи ферменты могут атаковать глюкозный остов целлюлозы. Однако некоторые из этих ферментов также могут расщеплять ксилозный остов ксилана, а другие — ксилозно-глюкозный остов ксилоглюкана. Это открытие знаменует собой первую известную ксилоглюканазу, найденную у многоклеточных животных. Ранее считалось, что такие ферменты у животных не существуют.

Один фермент — много субстратов

Исследователи изолировали гены целлюлаз у семи видов палочников. Все они экспрессируют несколько различных ферментов целлюлаз из семейства гликозидгидролаз 9 (GH9). Чтобы проверить их возможности, гены экспрессировали в стабильной линии клеток насекомых, а активность выделенных белков тестировали против разных полимеров клеточной стенки.

Результаты показали, что одна группа ферментов активна против целлюлозы и ксилана, а другая — против целлюлозы и ксилоглюкана. Несколько ферментов в каждой группе также могли расщеплять глюкоманнан. Эти способности сохранялись у всех семейств палочников, включая Timema cristinae (Timematidae), считающуюся сестринской группой для всех остальных Phasmatodea.

Такая многофункциональность почти неслыханна для гликозидгидролаз 9, а ксилоглюканазы любого семейства ранее не обнаруживались у животных. «Если бы мы не протестировали эти ферменты на других субстратах, кроме целлюлозы, у нас не было бы никакого шанса обнаружить эти функции», — сказал ведущий автор исследования доктор Матан Шеломи.

Новый поворот в старой истории гена

Важнее всего, что функции ферментов соответствовали эволюционным взаимоотношениям между насекомыми. Это означает, что предковый ген насекомых-целлюлаз дуплицировался в несколько генов, некоторые из которых затем смогли эволюционировать и получить новые способности. Это произошло до того, как сформировался отряд Phasmatodea.

Способность расщеплять разные полимеры одними и теми же ферментами означает, что кишечник палочников необычайно эффективен. Теоретически они могли бы переваривать даже древесину. «Возможно, их кишечник может расщеплять древесину, но их челюсти лучше приспособлены для листьев, которые, вероятно, и вкуснее», — отмечает Шеломи.