Управление синтезом фенолов у растений через систему рециклинга белков

Учёные из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США обнаружили новый способ регуляции производства фенолов — класса растительных соединений с широким спектром применения. Эти соединения являются важным источником ароматизаторов, отдушек и пигментов; некоторые из них интересны своими потенциальными полезными для здоровья свойствами; а благодаря вкладу в построение клеточных стенок растений (поли)фенолы — главный фактор, влияющий на то, насколько легко биомассу можно превратить в биотопливо.

«Поиск эффективных способов направленного изменения синтеза фенолов для этих различных целей может оказать большое влияние на общество», — заявил руководитель исследования Чанг-Джун Лю.

В статье, опубликованной в The Plant Cell 20 декабря 2013 года, группа Лю (включая научных сотрудников Сюэбиня Чжана и Миньюэ Го) исследовала нетрадиционный подход для достижения этой цели. Вместо того чтобы пытаться регулировать гены, которые инструктируют клетки производить ферменты, участвующие в синтезе фенолов, учёные изучили, как можно манипулировать уже произведёнными ферментами, чтобы контролировать их способность производить фенолы.

Машинерия рециклинга

Клеточная система рециклинга белков состоит из различных компонентов, которые совместно идентифицируют и биохимически маркируют белки, подлежащие разрушению, а затем направляют их в структуру, аналогичную «измельчителю отходов», которая расщепляет молекулы для повторного использования клеткой.

Главным открытием учёных стало обнаружение трёх компонентов этой системы (так называемых F-бокс белков), которые специфически распознают первый ключевой фермент в серии реакций синтеза фенолов — фенилаланин-аммиак-лиазу (PAL). Было показано, что эти три F-бокс белка взаимодействуют с PAL, что приводит к её деградации.

Эксперименты подтвердили, что активация генов, кодирующих F-бокс белки, снижает клеточный уровень PAL в живых растительных клетках. Снижение уровня PAL, в свою очередь, приводило к уменьшению уровня определённых растительных фенолов.

Одним из затронутых продуктов был лигнин — полифенол, компонент клеточных стенок растений. Лигнин делает биомассу особенно трудной для расщепления и превращения в жидкое топливо. Растения с более низким уровнем лигнина должны быть легче для переработки.

«Эта стратегия увеличения деградации PAL для снижения уровня лигнина в клеточной стенке может быть использована для облегчения расщепления растительного материала, тем самым повышая эффективность производства биотоплива», — отметил Лю.

Хотя целью работы было улучшение сырья для биотоплива, умение манипулировать растительными фенолами может быть полезно и для других целей. Например, набор молекулярных инструментов, идентифицированных в этом исследовании, может быть использован для увеличения синтеза определённых фенолов, проявляющих антиоксидантные свойства, что потенциально может усилить пользу для здоровья так называемых функциональных продуктов питания.