Новое понимание синтеза целлюлозы может помочь в её расщеплении для биотоплива
Всестороннее изучение того, как растения синтезируют целлюлозу — основной строительный блок стен большинства растительных клеток, широко используемый в различных искусственных материалах, — может иметь важное значение для её применения в производстве биотоплива. Исследователи из Университета штата Пенсильвания определили ключевые этапы процесса, а также инструменты, которые растительные клетки используют для создания целлюлозы, включая белки, транспортирующие критические компоненты к месту её синтеза. Статья с описанием исследования опубликована онлайн в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences на неделе 26 марта 2018 года.
«Целлюлоза — самый распространенный биополимер на Земле, — сказала Ин Гу, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии и старший автор статьи. — Она составляет около 95% бумаги и 90% хлопка, а её производные есть даже в эмульгаторах мороженого. За последние десять лет целлюлозу также стали рассматривать как основной компонент биотоплива. Понимание того, как синтезируется целлюлоза, может позволить нам оптимизировать её использование в качестве возобновляемого источника энергии».
Целлюлоза в большинстве повседневных продуктов в основном производится растениями. Несмотря на экономическое значение целлюлозы, до этого исследования у учёных было лишь базовое понимание того, как растения создают этот обильный ресурс.
«Мы знали, что целлюлоза синтезируется в плазматической мембране растительных клеток внутри гетеромерного белкового комплекса — группы различных белков — называемого комплексом синтазы целлюлозы, и что главный компонент этого комплекса — уникальный транспортный белок целлюлозосинтаза, — пояснила Гу. — Но мы не знали, участвуют ли в комплексе другие белки или как белки попадают к плазматической мембране. Чтобы начать отвечать на эти вопросы, мы использовали комбинацию подходов, включая визуализацию клеток, функциональную генетику и протеомику, чтобы создать временную шкалу событий и определить основные белки, участвующие в подготовке клетки к синтезу».
Исследователи показали, что белок CSI1 (cellulose synthase interactive 1) взаимодействует с комплексом синтазы целлюлозы до начала синтеза и, возможно, помогает маркировать место на плазматической мембране, где он происходит. Они также продемонстрировали, что CSI1 взаимодействует с отдельным комплексом — экзоцистом, который участвует в транспорте материалов к плазматической мембране у различных видов, и с белком PATROL1. Эти компоненты могут влиять на скорость, с которой комплекс синтазы целлюлозы доставляется к внешней мембране клетки перед синтезом.
«Мы знали, что комплекс экзоциста эволюционно консервативен, с практически неизменной структурой у дрожжей и млекопитающих, и здесь мы подтвердили его роль у растений. Но PATROL1 — это специфичный для растений белок, не похожий ни на что у млекопитающих или дрожжей. Мы озадачены тем, что PATROL1 на самом деле делает, и с нетерпением ждём продолжения изучения его функции».
Поскольку CSI1 взаимодействует со многими компонентами, важными для синтеза целлюлозы, исследовательская группа планирует использовать его как инструмент для дальнейшего изучения этого важного процесса и его эволюции.
«В конечном итоге мы надеемся применить знания о том, как растительные клетки строят целлюлозу, для более эффективного её расщепления с целью использования в биотопливе, — сказала Гу, — что в конечном счёте повысит эффективность производства энергии из биомассы».