Микробные клеточные фабрики помогут изучить малоизученные молекулы растений
Исследователи под руководством Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали метод производства особого класса растительных гормонов — стриголактонов — в беспрецедентных количествах с использованием микробных клеточных фабрик. Увеличив производство стриголактонов, учёные получили возможность изучать эти редкие и загадочные молекулы растений гораздо глубже, чем раньше.
Исследование, опубликованное в Science, может помочь улучшить устойчивые сельскохозяйственные практики, углубив понимание того, как растения производят и используют свои природные гормоны для адаптации и выживания.
Учёных во всём мире интересуют стриголактоны из-за их роли в контроле развития растений, регуляции симбиотических отношений с почвенными микробами и запуске прорастания растений-паразитов.
Но прогресс в понимании стриголактонов замедлился отчасти из-за их крайне низкого содержания в растениях. В результате учёным приходилось использовать трудоёмкие методы, часто с большим количеством растительного материала, чтобы получить достаточно вещества для идентификации.
Теперь исследователи из Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего в сотрудничестве с Калифорнийским университетом в Риверсайде и Университетом Уцуномия (Япония) применили геномный подход, используя микробную клеточную фабрику, чтобы преодолеть проблему низкого содержания.
«У нас есть инженерный подход, который делает всё намного проще, а ранее невозможные вещи — возможными», — сказала соавтор исследования Янран Ли, профессор факультета химического и наноинженерии.
Подход команды использовал возможности E. coli и пекарских дрожжей для производства стриголактонов. Совместно культивируя эти два организма, исследователи создали микробную клеточную фабрику, которая производит стриголактоны с выходом более чем в 125 раз выше, чем предыдущие микробные консорциумы.
Традиционные методы изучения стриголактонов, напротив, могут требовать экстракции как минимум 340 литров ксилемного сока — эквивалента семи или восьми тополей. Реалистично же, по словам Ли, необходимо около 1000 литров, чтобы учесть потери при выделении и очистке соединения.
«Используя эту микробную клеточную фабрику, можно обойтись без извлечения тонн ксилемного сока и, следовательно, уничтожения десятков деревьев для обнаружения молекул, важных для физиологии растений», — сказала Ли.
Инженерный подход
Первый стриголактон был открыт в 1960-х годах, но гормональная роль этого класса соединений была признана только в 2008 году. Как гормоны, стриголактоны контролируют развитие растения и его реакции на стресс, например, низкую влажность или недостаток питательных веществ.
С 2008 года биологи растений пытались выяснить химию и назначение стриголактонов и родственных им соединений. Результаты пока были скорее спекулятивными, чем окончательными, отчасти из-за очень низкого содержания гормональных соединений в растениях.
На сегодня обнаружено около 30 стриголактонов, и у всех них есть общий предшественник. Превращение этого предшественника во многие стриголактоны обеспечивает специфический ген (CYP722C) у большинства цветковых растений.
Поскольку «сестринские» гены широко распространены среди семенных растений, Ли и её команда предположили, что эти гены, обозначенные как CYP722A и CYP722B, также могут производить стриголактоны, играющие важные биологические роли.
Чтобы проверить это, исследователи изучили, что происходит с сестринскими генами в ранее разработанной ими микробной клеточной фабрике, созданной совместным культивированием E. coli и пекарских дрожжей. На этой платформе они экспрессировали гены CYP722A и CYP722B из 16 различных видов растений, включая тополь, перец, горох и персик.
Благодаря дальнейшей метаболической инженерии, первый автор работы Анчи Чжоу, аспирант по химической инженерии, нашла эффективные способы оптимизации концентрации стриголактонов на выходе — более чем в 125 раз по сравнению с предыдущими результатами.
Эта повышенная концентрация даёт исследователям достаточно материала, чтобы определить структуру любых полученных соединений, которые потенциально могут играть важную роль в физиологии растений.
Одной из таких важных молекул может быть новое соединение, продуцируемое CYP722A или CYP722B: стриголактон под названием 16-гидрокси-карлактоновая кислота (16-OH-CLA).
В побегах, а не в корнях
Хотя 16-OH-CLA была описана ранее, её точная структура и важность были не полностью известны. Возможность производить достаточное количество 16-OH-CLA благодаря микробной клеточной фабрике позволила команде впервые раскрыть её точную структуру.
Интересно, что когда исследователи искали 16-OH-CLA в растениях, они обнаружили её только в побегах, а не в корнях, в отличие от всех других известных стриголактонов. Более того, соединение присутствует не всегда. У однолетних растений, таких как перец или горох, оно исчезает, как только растение созревает. У деревьев, таких как тополь, его наличие сезонно.
Хотя конкретная функция 16-OH-CLA остаётся неясной, её распространённость среди семенных растений и необычная локализация в растении позволяют предположить, что она может играть критическую, но недооценённую роль в передаче сигналов или адаптации растений к условиям окружающей среды.
Благодаря новому инженерному подходу у исследователей теперь легко будут необходимые количества вещества для более глубокого изучения — чем Ли и команда сейчас и занимаются.