Современный растительный фермент работает в паре с удивительно древним белком

Ученые из Национальной лаборатории Брукхейвен Министерства энергетики США обнаружили, что белок, ответственный за синтез ключевого растительного материала, эволюционировал гораздо раньше, чем предполагалось. Исследование, опубликованное в The Plant Cell, изучает происхождение и эволюцию биохимического механизма, который строит лигнин — структурный компонент клеточных стенок растений, имеющий большое значение для индустрии чистой энергии.

Лигнин обеспечивает структурную поддержку растений, и его появление стало ключевым эволюционным событием, позволившим растениям выжить в новой наземной среде. Этот прочный материал можно перерабатывать в ценные биопродукты. Кроме того, лигнин — единственный возобновляемый источник ароматических соединений, которые химически схожи с молекулами обычного авиатоплива.

Современные растения содержат три типа лигнина, но у большинства древних растений их было только два. «Новый» тип называется сирингил-лигнином, или S-лигнином. Он эволюционировал относительно недавно с появлением цветковых растений, имеет менее сложную структуру и представляет особый промышленный интерес, так как его относительно легко расщепить до простых ароматических соединений.

В 2019 году ученые обнаружили, что специфический белок цитохром b5, CB5D, необходим для производства S-лигнина, но не для более древних типов лигнина. Уникальность роли CB5D вдохновила исследователей изучить его происхождение и эволюцию.

Ферментативное взаимодействие

Ранее команда обнаружила, что CB5D работает в паре с ферментом ферулат-5-гидроксилазой (F5H). Вместе они синтезируют ценный S-лигнин. Ученые предположили, что CB5D и F5H эволюционировали совместно.

Чтобы проверить гипотезу, они провели генетический анализ и нашли у 21 вида растений (от древних до современных) гены, похожие на современный ген CB5D. Эти гены синтезировали и экспрессировали по отдельности в современном растении, генетически модифицированном для отсутствия собственного гена CB5D.

Без гена CB5D растение синтезирует лишь небольшое количество S-лигнина. Эксперимент показал, что ген от вида зеленых водорослей, который эволюционировал в раннее наземное растение более 500 миллионов лет назад, восстановил синтез S-лигнина в современном растении. Это указывало на то, что ген обладает функциональностью типа CB5D. Такая же функция сохранилась у нескольких ранних наземных растений, таких как печеночники и мхи.

Это означает, что CB5D эволюционировал на миллионы лет раньше, чем ожидалось. Удивительно, что современный акцептор электронов, такой как F5H, вступил в партнерство с древним белком для создания нового биохимического механизма, синтезирующего продвинутую структуру лигнина.

Следующие шаги

Ученые использовали конфокальную микроскопию в Центре функциональных наноматериалов Брукхейвена, чтобы подтвердить, что белок CB5D из древнего вида (например, печеночника) экспрессируется в тех же субклеточных структурах, что и современный CB5D.

Анализ показал, что CB5D-подобный белок появился у водорослей непосредственно перед их переходом в наземную среду. Поскольку он сохранился у ранних наземных растений, этот белок, вероятно, выполняет одну или несколько важных функций.

Древние растения, такие как печеночники, не содержали S-лигнина. Если белок типа CB5D не отвечал за его синтез, то что он делал? Ответ на этот вопрос — следующая задача для исследований.