Новое понимание уникального транспорта сахара в растениях
Транспорт сахара через белки-переносчики сахара (STP) уникален для растений и важен для правильного развития органов, таких как пыльца. STP также используются для концентрации сахаров в специфических тканях, например, в плодах, и играют важную роль в защите растений от грибковых атак, таких как ржавчина и мучнистая роса.
Сахар образуется в листьях растений в процессе фотосинтеза и транспортируется в виде дисахарида сахарозы в другие части растения через ситовидную ткань. В тканях-потребителях, таких как корни, пыльца и плоды, растение может поглощать сахар либо как сахарозу, либо, после расщепления, как моносахариды глюкозу и фруктозу.
Поглощение глюкозы и других моносахаридов осуществляется с помощью STP, которые перемещают сахар через в остальном непроницаемую клеточную мембрану, используя кислотный градиент. Эти белки обладают специфическими свойствами по сравнению с аналогичными белками животных или бактерий. У них чрезвычайно высокое сродство к сахару; они связываются с сахарами в 1000 раз сильнее, чем аналогичные белки у человека. При этом они сохраняют очень высокий уровень активности в широком диапазоне pH по сравнению с другими кислотно-зависимыми переносчиками сахара.
Первый взгляд на уникальный механизм транспорта
Небольшая группа исследователей из Департамента молекулярной биологии и генетики Орхусского университета в Дании впервые определила структуру белка-переносчика сахара STP и объяснила особенности его транспорта.
STP — это белки, расположенные в клеточной мембране, с которыми очень сложно работать. Поэтому получение новых результатов часто занимает много лет, как и в этом исследовании. Исследователям пришлось несколько раз менять стратегию и применять новые методы.
«Это был чрезвычайно сложный процесс. Нам пришлось отказаться от очень многообещающих результатов и начинать всё заново с новыми методами, потому что качество данных от традиционных структурных методов было просто недостаточно хорошим», — говорит постдок Питер Аастед Паульсен, первый автор статьи в престижном журнале Nature Communications. «Было неприятно отказаться от того, что было почти достаточно хорошо, чтобы начать всё заново с нового угла, но это было необходимо. Множество маленьких моментов озарения, полученных в ходе наших попыток, в конечном итоге помогли решить проблемы с получением данных достаточно высокого качества. Это было фантастически, когда это наконец сработало».
Новый домен удивляет
Новая структура показывает, что общая форма STP напоминает человеческие переносчики сахара. Но структура также преподнесла сюрпризы. Питер Аастед Паульсен отмечает новый домен, который ранее не описывался. «Над связывающим карманом, где находится сахар, у STP есть новый небольшой домен, напоминающий крышку, которая удерживается на месте необычной связью — так называемым дисульфидным мостиком. Это было совершенно неожиданное наблюдение, которое сразу же разожгло воображение».
Чтобы исследовать функцию этого домена, учёные создали версию белка, в которой эта связь была удалена. С этим изменением белок теряет способность эффективно транспортировать сахар при определённых значениях pH. Сравнение этих результатов с анализом структуры показывает, что «крышка» удерживается на месте этой связью, создавая благоприятную среду для связывания кислоты в специфическом кислотном кармане. Это связывание заставляет часть белка смещаться в сторону молекулы сахара, создавая тем самым очень высокое сродство к сахару.
«Структурная биология уникальна, когда дело доходит до объяснения очень детальных механизмов, действующих в белках», — говорит доцент Бьёрн Паньелла Педерсен, руководитель исследовательской группы. «Было чрезвычайно приятно наблюдать, как здесь сочетаются структура и биохимия, чтобы объяснить нечто совершенно фундаментальное о транспорте сахара в растениях, чего мы раньше не знали».
Результаты могут облегчить создание устойчивых культур
«С нашей слегка занудной точки зрения, было чрезвычайно интересно получить ответы на эти фундаментальные вопросы», — говорит Бьёрн Паньелла Педерсен. «Мы начали работать с человеческими переносчиками сахара, но поскольку многие крупные вопросы в этой области были решены за последние годы, мы решили сосредоточиться на поглощении сахара другими организмами».
«STP имеют очень отличительные характеристики, и очень интересно улучшить наше понимание того, как они работают», — продолжает Бьёрн Паньелла Педерсен. — «Особенно интересно, что результаты, которые мы сейчас описываем, связаны с тем, как правильно развиваются многие органы растений, и одновременно оказались важным вкладом в реакцию растений на грибковые атаки. Некоторые виды пшеницы устойчивы к грибкам, и наши результаты помогают объяснить, почему».