Новый инструмент для характеристики переносчиков сахаров в растениях

Исследователи из Объединенного института биоэнергетики (JBEI) Министерства энергетики США разработали мощный новый инструмент, который поможет продвинуть генную инженерию "топливных" культур для чистой, зеленой и возобновляемой биоэнергетики. Ученые создали анализ, позволяющий идентифицировать и охарактеризовать функцию переносчиков нуклеотидных сахаров — критически важных компонентов в биосинтезе клеточных стенок растений.

"Наш уникальный анализ позволил нам изучить активность переносчиков нуклеотидных сахаров у Arabidopsis и охарактеризовать семейство из шести переносчиков, которое ранее никогда не описывалось", — говорит Хенрик Шеллер, руководитель отдела сырья JBEI. "Наш метод должен позволить быстро продвинуться в определении функциональной роли этих переносчиков в растениях и других организмах, что очень важно для метаболической инженерии клеточных стенок".

Шеллер является автором-корреспондентом статьи, описывающей это исследование в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Статья называется "The Golgi localized bifunctional UDP-rhamnose/UDP-galactose transporter family of Arabidopsis". Ведущими авторами являются Карстен Раутенгартен и Берит Эберт.

Сахар в биомассе растений представляет собой огромный потенциальный источник экологически чистой энергии, если его можно преобразовать в транспортное топливо — бензин, дизель и авиатопливо — экономически конкурентоспособным с нефтяным топливом способом. Одним из ключей к успеху станет создание топливных культур с оптимизированным по содержанию сахара составом клеточных стенок.

За исключением целлюлозы и каллозы, сложные полисахариды в клеточных стенках растений синтезируются в аппарате Гольги ферментами гликозилтрансферазами. Эти полисахариды собираются из субстратов простых нуклеотидных сахаров, которые транспортируются в аппарат Гольги из цитозоля. Несмотря на их важность, лишь немногие растительные переносчики нуклеотидных сахаров были охарактеризованы на молекулярном уровне. Основной проблемой было отсутствие необходимых для такой характеристики субстратов.

"Субстраты переносчиков нуклеотидных сахаров млекопитающих коммерчески доступны из-за медицинского интереса, но не были доступны для растений, что затрудняло изучение как переносчиков, так и гликозилтрансфераз", — говорит Шеллер.

Для своего анализа Шеллер, Раутенгартен, Эберт и их коллеги создали несколько искусственных субстратов для переносчиков нуклеотидных сахаров, а затем реконструировали переносчики в липосомы для анализа с помощью масс-спектрометрии. Исследователи использовали эту технику для характеристики функций шести новых переносчиков, идентифицированных у Arabidopsis — родственника горчицы, служащего модельным растением для исследований в области передового биотоплива.

"Мы обнаружили, что эти шесть новых переносчиков являются биспецифичными, что стало неожиданностью, поскольку два субстрата не очень похожи с физической точки зрения. Мы также обнаружили, что ограничение доступности субстрата по-разному влияет на разные полисахаридные продукты, что позволяет предположить, что биосинтез полисахаридов клеточной стенки в аппарате Гольги растений также регулируется механизмами транспорта субстрата", — отмечает Шеллер.

Помимо этих шести переносчиков, анализ был использован для характеристики функций еще 20 транспортеров, детали чего будут опубликованы в ближайшее время.

"Благодаря в основном усилиям Карстена Раутенгартена и Берит Эберт за последние два года, мы теперь знаем активность в три раза большего числа переносчиков нуклеотидных сахаров, чем известно у человека, и определили функцию двух третей растительных переносчиков по сравнению с одной четвертью человеческих. Это огромное достижение, и мы уже используем эту информацию в JBEI для улучшения состава сахаров в биомассе для производства биотоплива", — заключает Шеллер.