Крупномасштабное исследование раскрывает несовершенный инструмент в биотехнологии растений

Исследовательская группа из Института биомедицинских исследований Уайтхеда использовала метаболомные технологии, чтобы раскрыть молекулярную активность ключевого белка, который позволяет растениям противостоять распространенному гербициду. Результаты показывают, как этот белок — фермент, впервые выделенный из бактерий и внедренный в растения, включая кукурузу и сою, в 1990-х — иногда действует неспецифично, и как его можно успешно перепроектировать для повышения точности. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Plants, поднимает стандарты биоинженерии в XXI веке.

«Наша работа подчеркивает критический аспект биоинженерии, который мы теперь технически способны изучать», — говорит старший автор Цзин-Кэ Вэн. — «Мы знаем, что ферменты могут вести себя неразборчиво. Теперь у нас есть научные возможности обнаруживать их молекулярные побочные эффекты, и мы можем использовать эти знания для создания более "умных" ферментов с повышенной специфичностью».

Ключевыми игроками в этом процессе являются ферменты. Ранее их рассматривали как мини-машины, безошибочно превращающие правильный субстрат в продукт. Но теперь ученые признают, что они совершают ошибки, часто связываясь с непреднамеренным субстратом. «Эта концепция, известная как ферментативная промисцуитивность, имеет значение как для эволюции ферментов, так и, в более широком смысле, для болезней человека», — отмечает Вэн.

Это также имеет значение для биоинженерии, как недавно обнаружили Бастьен Крист и его коллеги. Изучая определенный штамм растения Arabidopsis thaliana, они обнаружили в его листьях аномально высокие уровни двух соединений: ацетил-аминодипата и ацетил-триптофана. Этих соединений не было у обычных «диких» растений.

Источником оказался фермент BAR, который был внедрен в растения в качестве химического маркера для исследований. Однако BAR — это не просто инструмент ученых. Это один из самых распространенных признаков генетически модифицированных культур (соя, кукуруза, хлопок), позволяющий им противостоять широко используемому гербициду (фосфинотрицин или глюфосинат).

Ученым десятилетиями было известно, что BAR, изначально выделенный из бактерий, инактивирует гербицид, присоединяя к нему ацетильную группу. Как описывается в статье, у него есть «неразборчивая» сторона: он может работать и с другими субстратами, такими как аминокислоты триптофан и аминодипат (производное лизина).

Это объясняет, почему непредусмотренные продукты (ацетил-триптофан и ацетил-аминодипат) можно обнаружить в генетически модифицированных культурах с BAR, таких как соя и рапс.

Исследование включало детальное изучение белка BAR, в том числе кристаллических структур белка, связанного с субстратами. Это дало «чертеж» для стратегического изменения BAR, чтобы сделать его менее промисцуитивным и заставить работать только с гербицидом, а не с аминокислотами. Крист и его коллеги создали несколько версий белка, лишенных неспецифической активности оригинала.

«Это природные катализаторы, поэтому когда мы заимствуем их у одного организма и помещаем в другой, они могут быть неидеальны для наших целей», — говорит Крист. — «Сбор фундаментальных знаний о том, как работают ферменты и как их структура влияет на функцию, может научить нас выбирать лучшие инструменты для биоинженерии».

Есть и другие важные уроки. Когда признак BAR впервые оценивался FDA США — в 1995 году для рапса и в последующие годы для других культур — метаболомика как технология для биомедицинских исследований практически не существовала. Поэтому ее нельзя было применить для характеристики генетически модифицированных растений и продуктов в рамках регуляторного обзора. Тем не менее, ацетил-аминодипат и ацетил-триптофан, которые в норме присутствуют в организме человека, были рассмотрены FDA и признаны безопасными для потребления человеком и животными.

Вэн и его коллеги считают, что их исследование является веским аргументом для включения метаболомного анализа в процесс оценки будущих генетически модифицированных культур. «Это предостерегающая история», — заключает Вэн.