Цветковые растения используют псевдофермент для образования индола

Растения производят удивительное разнообразие химических веществ. Большинство этих метаболитов участвует в химической коммуникации и служит для защиты от вредителей, патогенов и привлечения полезных организмов. Один из примеров — индол, азотсодержащее ароматическое соединение, которое является центральным промежуточным продуктом в биосинтезе аминокислоты триптофана.

У многих растений индол также служит предшественником защитных веществ. Многие растения выделяют летучий индол при атаке травоядными, чтобы отпугнуть их или предупредить соседние растения о надвигающейся угрозе. Это усиливает устойчивость растения. Индол также может привлекать опылителей как компонент цветочных ароматов.

Исследовательская группа под руководством Тобиаса Кёльнера из Института химической экологии Макса Планка изучает ферменты, участвующие в биосинтезе бензоксазиноидов. Бензоксазиноиды — это специализированные защитные соединения растений, для производства которых требуется индол в качестве предшественника.

Некоторые виды растений, такие как кукуруза и живокость (однодольные и базальные двудольные), имеют активные ферменты, ответственные за биосинтез индола. Однако у других цветковых растений, ядерных двудольных (core eudicots), эти ферменты лишь слабо активны.

«Поэтому мы предположили, что у этих растений существует другой, более эффективный механизм биосинтеза индола», — говорит первый автор исследования Матильде Флореан.

Псевдофермент играет ключевую роль в образовании индола

Команда протестировала множество различных ферментов, которые могли быть вовлечены в ключевой этап синтеза индола, используя модельное растение Nicotiana benthamiana. Они также провели ферментативные тесты с очищенными белками in vitro. В ходе экспериментов исследователи обнаружили, что биосинтез индола у этих растений опосредован псевдоферментом TSB-like.

Псевдофермент TSB-like структурно похож на фермент TSB (бета-субъединица триптофансинтазы); однако, в отличие от TSB, TSB-like не участвует в образовании триптофана. TSB обычно связывается с другим ферментом TSA (альфа-субъединица триптофансинтазы) и активирует его. Это приводит к кратковременному образованию индола, который затем немедленно превращается в триптофан ферментом TSB. TSB-like также связывается и активирует TSA, но взаимодействие между TSB-like и TSA не приводит к образованию триптофана. Следовательно, индол может высвобождаться как летучее соединение.

«Обычно мы ищем ферменты, которые проявляют каталитическую активность для интересующей нас реакции. Те, которые её не проявляют, обычно малоинтересны. Поэтому было удивительно обнаружить, что биосинтез индола опосредован псевдоферментом, который перенаправляет активность активного фермента для производства индола с целью выделения летучих веществ или биосинтеза специализированных защитных соединений», — говорит Кёльнер.

Псевдоферменты трудно обнаружить, поскольку они не проявляют ферментативной активности без подходящего партнера по связыванию. Однако они не являются редкостью и могут составлять до 10% протеома. В этой относительно новой области исследований у ученых все еще много вопросов об этих белках.

Исследовательская группа теперь хочет выяснить, как растения регулируют активность псевдоферментов, таких как TSB-like. Их особенно интересует, как растения предотвращают конкуренцию TSB-like с каталитически активным ферментом TSB за участие в жизненно важном биосинтезе триптофана.

«Расшифровка механизма, с помощью которого большая и экономически важная группа ядерных двудольных производит индол, также актуальна для современного сельского хозяйства», — говорит Сара О’Коннор, руководитель отдела биосинтеза природных соединений. Одна из возможностей — целенаправленная селекция растений, которые более привлекательны для опылителей и менее восприимчивы к патогенам и вредителям.