Растения используют «необычный» микробоподобный путь для синтеза незаменимой аминокислоты
Исследователи из Университета Пердью обнаружили у растений микробоподобный путь синтеза фенилаланина — аминокислоты, жизненно важного компонента белков всех живых организмов.
Основной путь синтеза фенилаланина у растений — это цепь реакций, превращающая органическую кислоту арогенат в фенилаланин. Однако учёные доказали, что растения также используют альтернативный путь, характерный для большинства микроорганизмов, для производства фенилаланина из фенилпирувата.
«Теперь, когда у нас есть генетические доказательства существования этого пути у растений, открываются захватывающие возможности для метаболической инженерии», — заявила профессор биохимии Наталия Дударева. «Этот альтернативный путь — совершенно новое направление для синтеза фенилаланина».
Фенилаланин — это ароматическая аминокислота, служащая строительным блоком для многих соединений, важных для структуры, размножения, защиты и коммуникации растений. Манипулирование альтернативным путём для увеличения выработки фенилаланина может улучшить реакцию растений на вредителей.
Фенилаланин также используется для синтеза других соединений, например, бензойной кислоты — компонента препаратов для лечения рака.
Люди и животные не могут синтезировать фенилаланин и полагаются на растения. Повышение уровня фенилаланина в растениях может привести к созданию более питательных продуктов.
Исследователи выяснили, что растения используют оба пути — арогенатный и альтернативный. Однако поток через альтернативный путь увеличивается, когда стрессовые факторы ограничивают способность растения использовать основной путь. Джошуа Видхальм, соавтор исследования, сравнил пути с системой водопроводных труб.
«Представьте две расходящиеся трубы с общим входом. Основной путь — труба большего диаметра. Через меньшую трубу всегда будет течь немного воды. Но если закупорить основную, больше воды перенаправится через альтернативную».
Когда исследователи по отдельности блокировали два этапа арогенатного пути в цветках петунии, уровень фенилаланина падал. Но при одновременной блокировке обоих этапов производство фенилаланина резко возрастало.
«Тогда мы и поняли, что должен быть какой-то другой способ синтеза фенилаланина», — сказала Дударева.
Учёные с удивлением обнаружили, что в альтернативном пути фенилпируват превращается в фенилаланин, забирая азотсодержащую группу у тирозина — другой незаменимой аминокислоты.
«Очень необычно, что клетка жертвует тирозином для производства фенилаланина. Возможно, именно поэтому этот путь не был обнаружен ранее», — отметила Дударева.
Ферменты арогенатного пути жёстко регулируются для баланса уровня фенилаланина, останавливая его производство при избытке. Регуляция альтернативного пути менее строгая и ограничена только доступностью тирозина.
Более слабая регуляция делает альтернативный путь более перспективной мишенью для метаболической инженерии, чем арогенатный путь.
«Работая с арогенатным путём, приходится учитывать его чувствительность к уровню фенилаланина, что очень сложно. Но в альтернативном пути вам нужен только источник азотсодержащих групп, чтобы синтезировать столько фенилаланина, сколько вы хотите».
В то время как арогенатный путь происходит в пластидах (органеллах, где также идёт фотосинтез), альтернативный путь расположен в цитозоле — жидкости, заполняющей клетку. Это первое указание на то, что синтез ароматических аминокислот может происходить вне пластид.
«Похоже, метаболизм ароматических аминокислот у растений ещё более динамичен, чем мы думали», — заключил Видхальм.