Учёные обнаружили, как древние ферменты обрели новые функции

Растения, травоядные и патогены ведут войну за выживание, которой сотни миллионов лет. Не имея возможности убежать, растения эволюционировали сложный химический аппарат в своих клетках для защиты.

В статье, опубликованной в журнале eLife, Пэнсян Фань и Роберт Ласт сообщили об открытии двух древних ферментов томата, которые были "рекрутированы" для участия в этой эволюционной гонке вооружений.

"Растения эволюционировали, чтобы вести химическую войну с травоядными и патогенами", — сказал Ласт, который 15 лет исследует биохимию специализированных метаболитов у паслёновых (Solanaceae), включая томаты, картофель и перцы.

Примерно 20–30 миллионов лет назад паслёновые "захватили" два древних фермента, участвующих в метаболизме жирных кислот, чтобы превращать сахарозу в липкий природный пестицид — ацилсахара. В отличие от других паслёновых, культурный томат производит ацилсахара с цепями длиной от 2 до 12 атомов углерода.

С помощью сравнительной геномики, биохимического анализа и редактирования генов CRISPR-Cas9 исследователи идентифицировали кластер генов, кодирующих ферменты AACS и AECH, ответственные за производство длинноцепочечных ацилсахаров у томата. Эти ферменты локализованы на кончиках железистых волосков (трихом) плода, где они производят ацилсахара перед секрецией на поверхность.

"Экспрессия этих двух ферментов ограничена железистым волоском, что является важным шагом для их рекрутирования в биосинтез ацилсахаров", — пояснил Фань. Если бы гены экспрессировались по всему растению, это нарушило бы общий метаболизм жирных кислот.

Сотрудничая с биоинформатиками, Фань использовал инструменты биоинформатики, чтобы воссоздать эволюционные события, которые привели к появлению различных длин цепей ацилсахаров в семействе паслёновых.

Далее учёные выяснили, где два фермента, производящие ацил-КоА, встречаются с сахарозой. Сотрудничая с клеточными биологами, они смогли отследить эти ферменты. Неожиданно они обнаружили их в митохондриях — энергопроизводящей части клетки. Это было важным открытием для понимания того, как два фермента, обычно связанные с жирными кислотами, были вовлечены в создание защитных ацилсахаров.

"Это исследование раскрывает многие 'уловки', которые эволюция использует для создания метаболического разнообразия растений: модификация старых ферментов для производства новых продуктов, кластеризация генов и ограничение биосинтеза специализированными типами клеток в неожиданном месте внутри клетки", — объяснил Ласт.

В будущем Фань надеется глубже изучить множество типов ферментов ацилсахаров, найденных у паслёновых. "Если мы сможем выяснить, какие типы ацилсахаров наиболее эффективны для защиты растений, и манипулировать этим, мы потенциально сможем разработать эффективные природные пестициды", — сказал он.