Открыты клеточные секреты производства жирных кислот у растений; открытие может стимулировать биоэкономику

Исследовательские группы из Университета штата Айова и Института биологических исследований Солка обнаружили функцию трех растительных белков. Это открытие может помочь ученым повысить производство масла в семенах сельскохозяйственных культур, что принесет пользу производству продуктов питания, биовозобновляемых химикатов и биотоплива.

Анализ активности генов (группой из Айовы) и определение структуры белков (группой из Солка) независимо друг от друга выявили у модельного растения резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) три родственных белка, которые, по-видимому, участвуют в метаболизме жирных кислот. Затем исследователи объединили усилия, чтобы проверить эту гипотезу, и продемонстрировали роль этих белков в регуляции количества и типов жирных кислот, накапливаемых в растениях. Также было показано, что активность этих белков очень чувствительна к температуре, и эта особенность может играть важную роль в том, как растения используют жирные кислоты для смягчения температурного стресса.

Открытие опубликовано на сайте журнала Nature. Авторы-корреспонденты — Ив Сыркин Вуртеле, профессор генетики, развития и клеточной биологии в Университете штата Айова; и Джозеф Ноэль, профессор и директор Центра химической биологии и протеомики им. Джека Х. Скерболла в Институте Солка, а также исследователь Медицинского института Говарда Хьюза.

«Эта работа имеет большое значение для модуляции профилей жирных кислот в растениях, что чрезвычайно важно не только для устойчивого производства продуктов питания и питания, но теперь и для биовозобновляемых химикатов и топлива», — сказал Ноэль.

«Поскольку такие высокоэнергетические молекулы, как жирные кислоты, создаются в растении с использованием энергии солнца, эти типы молекул в конечном итоге могут обеспечить наиболее экономически эффективные и действенные источники для биовозобновляемых продуктов», — добавила Вуртеле.

Хотя исследователи теперь понимают, что три белка — названные жирнокислот-связывающими белками один, два и три (FAP1, FAP2 и FAP3) — участвуют в накоплении жирных кислот в тканях растений, таких как листья и семена, физический механизм, который эти белки используют на молекулярном уровне, все еще не ясен. Это знание в конечном итоге позволит исследовательским группам прогнозируемо создавать растения с улучшенными функциями.

Для определения функции белков в растениях группа Вуртеле использовала свой опыт в молекулярной биологии и биоинформатике. Одним из инструментов стал разработанный ими программный пакет MetaOmGraph для анализа больших наборов общедоступных данных об активности генов в различных условиях. Анализ показал, что паттерны экспрессии генов FAP похожи на паттерны генов, кодирующих ферменты синтеза жирных кислот. Также было обнаружено, что накопление двух из этих белков наиболее высоко в тех частях растения, где производится наибольшее количество масла. Эти данные привели к гипотезе, что белки FAP важны для накопления жирных кислот.

Затем эта теория была проверена экспериментально: сравнивались жирные кислоты мутантных растений, лишенных белков FAP, с таковыми у нормальных растений. Несмотря на здоровый внешний вид мутантов, общее содержание жирных кислот у них было выше, а типы жирных кислот отличались.

Ноэль и исследователи из Института Солка использовали различные методы, включая рентгеновскую кристаллографию и биохимию, чтобы охарактеризовать структуры белков FAP1, FAP2 и FAP3 и определить, что эти белки связывают жирные кислоты.

«Эти белки, по-видимому, являются важнейшими недостающими звеньями в метаболизме жирных кислот у Arabidopsis и, вероятно, выполняют аналогичную функцию у других видов растений, поскольку мы находим те же гены по всему растительному царству», — сказал Райан Филипп, постдокторант в лаборатории Ноэля.

Проект был поддержан, в частности, Национальным научным фондом (включая Инженерно-исследовательский центр биовозобновляемых химикатов на базе Университета штата Айова), Национальным институтом рака, Медицинским институтом Говарда Хьюза и стипендией Фулбрайта первой авторши статьи Мишелин Нгаки. Дополнительную поддержку оказал Институт растениеводства Университета штата Айова.

Открытие связи между белками FAP и растительными жирными кислотами может быть очень полезным для ученых.

«Если исследователи смогут точно понять, какую роль белки играют в производстве масла в семенах, они, возможно, смогут модифицировать их активность в новых сортах растений, которые будут производить больше масла или масло более высокого качества, чем нынешние культуры», — сказала Нгаки.

Кроме того, если три белка помогают растениям регулировать стресс, ученые могут использовать эту черту для создания растений, более устойчивых к стрессу, сказала Вуртеле. Это позволило бы фермерам выращивать культуры для биотоплива и химикатов на маргинальных землях, непригодных для продовольственных культур.

Все это, по ее словам, может указать новые направления в биологических исследованиях.

«Мы вступаем в эпоху предсказательной биологии, — сказала Вуртеле. — Это означает использование вычислительных подходов для определения функции генов, моделирования биологических процессов и прогнозирования последствий изменения одного гена для сложной биологической сети организма».