Открытие меняет представления учёных о формировании клеточной стенки растений

Исследователи из Университета Джорджии обнаружили, что два белка неожиданным образом объединяются для синтеза углевода (цепи молекул сахара) в клеточных стенках растений. Это фундаментальное открытие меняет представления учёных о том, как образуются клеточные стенки растений, и открывает новые возможности для преобразования растений в биотопливо и другие углеродные продукты.

В 2006 году команда под руководством Дебры Монен из UGA Complex Carbohydrate Research Center открыла белок GAUT1 — первый белок, показавший способность синтезировать пектин, основной компонент клеточной стенки растения. Теперь команда Монен показала, что GAUT1 и генетически схожий белок GAUT7 (который сам по себе не проявляет активности по синтезу пектина) формируют критически важную часть белкового комплекса, синтезирующего пектин.

Более того, этот двухбелковый комплекс может служить «ядром», которое связывается с дополнительными белками, синтезирующими пектин, образуя ещё более крупные углевод-синтезирующие комплексы в растительных клетках.

Результаты знаменуют собой «критический шаг в изменении нашего взгляда на то, как создаётся клеточная стенка растения», — заявила руководитель исследования Дебра Монен, профессор биохимии и молекулярной биологии. Исследование опубликовано на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Монен также является членом BioEnergy Science Center — одного из трёх исследовательских центров биоэнергетики Министерства энергетики США.

«Многие люди недооценивали важность пектинов, считая, что они не важны в более толстой и прочной вторичной клеточной стенке растения», — сказала Монен. Однако, по её словам, «поскольку пектины синтезируются во всех типах клеточных стенок растений — не только в мягких плодах, но и в древесине и травах, имеющих жёсткие и различные наружные стенки — это новое открытие делает вероятным, что модификация пектина улучшит доступность углеродных резервов в клеточной стенке растения для возобновляемых источников энергии».

Новые выводы основаны на открытии GAUT1 в модельном растении Arabidopsis в 2006 году. Тогда же было обнаружено 14 дополнительных генетически схожих белков, одним из которых был GAUT7. Но, как отметила Монен, «В отличие от GAUT1, GAUT7 не проявлял никакой обнаруживаемой нами активности по синтезу пектина».

Тем не менее, тесная связь двух белков заинтересовала Мелани Атмоджо (аспиранта UGA на тот момент, а ныне постдока), что инициировало текущее исследование.

Исследователи из UGA и их коллеги из Копенгагенского университета обнаружили, что GAUT1 существует в обработанной форме внутри аппарата Гольджи — клеточной органеллы, где синтезируется пектин перед попаданием в клеточные стенки растений. Обычно такая обработка привела бы к секреции GAUT1 из клетки. Вместо этого исследователи обнаружили, что каталитический белок GAUT1 связан с некаталитическим белком GAUT7, так что два белка остаются в комплексе в аппарате Гольджи.

С помощью слияния различных участков белка GAUT1 с зелёным флуоресцентным белком исследователи наблюдали, что GAUT7 действительно удерживает GAUT1 в аппарате Гольджи.

История стала ещё интереснее, сказала Монен, когда исследователи с помощью масс-спектрометрии обнаружили 12 дополнительных белков, которые могут взаимодействовать с комплексом GAUT1:GAUT7.

Хотя пектин чаще всего считается участвующим в синтезе более тонкой и гибкой первичной клеточной стенки, исследователи показали, что вновь идентифицированный белковый комплекс также играет роль в синтезе более жёсткой вторичной клеточной стенки. Вторичная клеточная стенка формируется внутри первичной по мере созревания клетки, придавая растению жёсткость.

Монен заявила, что исследование ясно показывает важность белковых комплексов в синтезе пектинов. «Глядя в будущее, — сказала Монен, — мы можем представить, как растительные клетки могут комбинировать ферменты для создания новых углеводов в клеточной стенке».