Генетическая карта растений может улучшить производство биотоплива

Ученые из Национальной лаборатории Брукхейвен Министерства энергетики США, создав «генеалогическое древо» генов, экспрессируемых у древесного (тополь) и травянистого (резуховидка Таля, Arabidopsis) растений, нашли ключи, которые могут помочь в создании культур, более пригодных для производства биотоплива. Исследование, опубликованное в апрельском номере журнала Plant Molecular Biology за 2009 год, также закладывает основу для понимания эволюционных и структурных свойств этих генов.

Ученые изучают большое семейство генов, которые инструктируют клетки производить различные ферменты, важные для широкого спектра функций растений. В геномах тополя и Arabidopsis было идентифицировано 94 и 61 ген этого семейства соответственно. Особый интерес вызвали гены, экспрессируемые на высоком уровне в древесных тканях.

Древесина и другие биофибры, состоящие из клеточных стенок растений, — наиболее распространенное сырье для производства биотоплива. Первый шаг в этом процессе — расщепление (переваривание) биофибр до сахаров. Однако растения выработали стратегии, препятствующие этому перевариванию. Например, небольшие молекулы, называемые ацильными группами, присоединенные к волокнам клеточной стенки, могут действовать как барьер, затрудняющий превращение волокон в сахар. Ацильные группы также могут образовывать сшитые сети, делающие клеточные стенки особенно прочными.

Долгосрочная цель — найти ферменты, контролирующие образование связанных с клеточной стенкой ацильных групп, чтобы научиться модифицировать клеточные стенки растений для повышения их усвояемости. Текущее исследование, всестороннее изучение семейства ацил-модифицирующих ферментов, дает отправную точку для достижения этой цели.

Некоторые из генов, экспрессируемых на высоком уровне в древесных тканях, могут нести инструкции для создания именно тех ферментов, уровнем которых ученые хотят управлять. Следующим шагом будет биохимическая и биофизическая характеристика функций этих отдельных генов, чтобы найти те, что прямо или косвенно связаны с модификацией клеточной стенки. Затем эти гены можно будет использовать для создания новых энергетических культур и проверки, улучшают ли такие изменения эффективность преобразования биомассы в биотопливо.

В ходе исследования также были сделаны интересные наблюдения об экспрессии генов и их расположении. Обнаружены уникальные пары генов, которые были обратно перекрыты со своими соседними генами в геноме. В такой организации парные гены (последовательности ДНК) производят кодирующие белок сегменты (РНК), которые являются комплементарными друг другу. Это означает, что две цепи РНК будут связываться друг с другом, как специпичная липучка, что предотвратит построение фермента. Таким образом, экспрессия одного гена в паре, по-видимому, подавляет его партнера.

Понимание этой естественной «антисмысловой» регуляции экспрессии генов может помочь ученым в попытках регулировать уровни ацил-модифицирующих ферментов.