Учёные обнаружили причину, мешающую растениям производить специальные масла
Сотни природных специальных жирных кислот (строительных блоков масел) потенциально могут использоваться в качестве сырья для производства смазочных материалов, пластмасс, фармацевтических препаратов и многого другого — если бы их можно было производить в больших масштабах с помощью сельскохозяйственных растений. Однако попытки внедрить гены для создания этих специальных кислот в культуры давали обратный эффект: семена таких растений накапливали значительно меньше масла. Причина была неизвестна.
Теперь две группы биохимиков из Национальной лаборатории Брукхейвен Министерства энергетики США, изучавшие разные аспекты синтеза масел, объединились и обнаружили механизм, стоящий за этим замедлением. Как описано в журнале Plant Physiology, они скрещивали модельные растения и проводили детальные биохимико-генетические анализы, чтобы продемонстрировать стратегию устранения препятствия и увеличения производства. Эта работа прокладывает путь для производства по крайней мере одной промышленно важной специальной жирной кислоты в растениях — и, возможно, для многих других.
Схождение двух проектов
Исследование выросло из двух проектов в лаборатории биохимии под руководством Джона Шэнклина. Один проект был сосредоточен на проблемах производства специализированных жирных кислот в растениях, а другой — на расшифровке деталей биохимической петли обратной связи, которую растения используют для регуляции синтеза обычных жирных кислот и масел.
В ходе второго проекта команда недавно охарактеризовала механизм, с помощью которого растения снижают синтез масла, когда уровень их обычных (эндогенных) жирных кислот становится слишком высоким. Этот механизм работает как термостат. Ключевым ферментом, контролирующим производство, является ACCase. Он состоит из четырёх субъединиц — их можно представить как шестерни. Пока эндогенные жирные кислоты ниже определённого уровня, все четыре "шестерни" сцеплены, и машина производит жирные кислоты. Однако добавление в растения эндогенных жирных кислот запускает замену в механизме: одна из субъединиц ACCase заменяется нефункциональной версией — "шестернёй без зубцов" (известной как BADC). Это замедляет производство жирных кислот.
Механизм отключения, запускаемый специальными жирными кислотами (которые производятся искусственно добавленными в растение генами), срабатывает, когда присутствуют даже небольшие количества "чужеродных" кислот, а эндогенные кислоты не в избытке. Это делало процессы похожими на отдельные. Но в ходе обсуждений учёные начали задаваться вопросом, не запускают ли специальные жирные кислоты тот же самый "выключатель".
Проверка гипотезы
Ранее группа Шэнклина создала штамм модельного растения Arabidopsis, у которого удалены два гена BADC. У этих растений "выключатель" отключён, и они производят высокие уровни эндогенных жирных кислот. Учёные решили выяснить, что произойдёт, если гены BADC будут отключены в растениях, сконструированных для производства специальных жирных кислот.
Для этого они разработали стратегию скрещивания растений с дефектным "выключателем" со штаммом Arabidopsis, сконструированным для производства гидроксижирных кислот — одного из специальных типов, интересных для промышленности. Этот штамм мог производить гидроксижирные кислоты, но скорость синтеза масла у него была вдвое ниже, чем у обычных растений, и в семенах накапливалось гораздо меньше масла.
Для получения растений с нужной комбинацией генов (оба удалённых гена BADC и два гена, запускающих производство гидроксижирных кислот) потребовалось несколько поколений растений. С помощью ПЦР-анализа более 600 растений были найдены особи с желаемым генетическим составом.
Результат: Растения, имевшие комбинацию дефектных генов BADC и генов, необходимых для производства гидроксижирных кислот, производили нормальное количество масла, содержащего специальные продукты. По сравнению с растениями, имевшими нормальные гены BADC, у новых растений наблюдалось увеличение общего количества жирных кислот на семя, общего содержания масла в семенах на растение и урожайности семян на растение.
"Растения с дефектным BADC "не видят" присутствия гидроксижирных кислот, и обычная реакция отключения ACCase — маслосинтезирующей машины — исчезает", — пояснила Джантана Киритивип.
Результаты доказывают, что BADC является механизмом снижения активности ACCase в обоих сценариях — как при накоплении избытка эндогенных жирных кислот, так и при наличии гидроксижирной кислоты.
"Сейчас мы проверяем, ограничен ли этот механизм только гидроксижирными кислотами или, как мы подозреваем, он общий для других "чужеродных" жирных кислот, которые также снижают активность ACCase", — сказал Шэнклин. — "Если это общий механизм, он открывает возможность реализации мечты о производстве дополнительных желаемых специальных жирных кислот в богатых маслом семенах сельскохозяйственных растений".
"Это хороший пример того, как фундаментальное понимание биохимической регуляции может быть использовано для продвижения к жизнеспособной, устойчивой биоэкономике", — заключил Шэнклин. — "Мы можем использовать этот подход для производства ценных возобновляемых промышленных исходных материалов с низкой себестоимостью в растениях из углекислого газа и солнечного света, вместо того чтобы полагаться на нефтехимию".