Исследователи из Института Солка, изучающие, как растения развили способность производить эти природные химические вещества, обнаружили, как фермент, называемый халконизомераза, эволюционировал, чтобы позволить растениям производить продукты, жизненно важные для их собственного выживания. Исследователи надеются, что эти знания помогут при производстве продуктов, полезных для человека, включая лекарства и улучшенные урожаи. Исследование появилось в печатной версии ACS Catalysis 6 сентября 2019 г.
«С тех пор, как наземные растения впервые появились на Земле примерно 450 миллионов лет назад, они разработали сложную метаболическую систему для преобразования углекислого газа из атмосферы в бесчисленное множество природных химических веществ в их корнях, побегах и семенах», – говорит профессор Солка Джозеф Ноэль, старший автор статьи. "Это кульминация работы, которую мы выполняли в моей лаборатории в течение последних 20 лет, пытаясь понять химическую эволюцию растений. Это дает нам подробные сведения о том, как растения развили эту уникальную способность производить очень необычные, но важные молекулы."
Предыдущие исследования лаборатории Ноэля изучали, как эти ферменты произошли из неферментных белков, включая изучение более примитивных их версий, которые появляются в таких организмах, как бактерии и грибы.
Как фермент, халконизомераза действует как катализатор, ускоряющий химические реакции в растениях. Это также помогает гарантировать, что химические вещества, которые производятся в растении, имеют надлежащую форму, поскольку молекулы с одной и той же химической формулой могут принимать два разных варианта, которые являются зеркальным отображением друг друга (называемые изомерами).
«В фармацевтической промышленности важно, чтобы производимые лекарства были правильной версии или изомера, потому что использование неправильного лекарства может привести к нежелательным побочным эффектам», – говорит Ноэль, директор Salk’s Jack H. Скирболл, Центр химической биологии и протеомики и заведующий кафедрой Артура и Джули Вудро. "Изучая, как работает изомераза халкона, мы можем узнать больше о том, как ускорить производство правильных изомеров фармацевтических препаратов и других продуктов, которые могут быть важны для здоровья человека."
В текущем исследовании исследователи использовали несколько методов структурной биологии для изучения уникальной формы фермента и того, как его форма изменяется при взаимодействии с другими молекулами. Они определили ту часть структуры халкон-изомеразы, которая позволяет ей невероятно быстро катализировать реакции, а также обеспечивает получение надлежащего биологически активного изомера. Эти реакции приводят к множеству действий у растений, включая преобразование первичных метаболитов, таких как фенилаланин и тирозин, в жизненно важные специализированные молекулы, называемые флавоноидами.
Оказалось, что одна конкретная аминокислота, аргинин, которая была одной из многих аминокислот, связанных вместе в халкон-изомеразе, находилась в месте, сформированном эволюцией, что позволило ей играть ключевую роль в катализе реакций халкон-изомеразы.
«Проведя структурные исследования и компьютерное моделирование, мы смогли увидеть очень точные положения аргинина в активном центре фермента по мере протекания реакции», – говорит первый автор Джейсон Берк, бывший постдокторский исследователь в лаборатории Ноэля, который сейчас является доцентом в Калифорнии. Государственный университет Сан-Бернардино. "Без этого аргинина это не работает так же."
Берк добавляет, что этот тип катализатора давно разыскивается химиками-органиками. «Это пример того, как природа уже решает проблему, над которой химики изучали долгое время», – добавляет он.
«Понимая изомеразу халкона, мы можем создать новый набор инструментов, который химики смогут использовать для реакций, которые они изучают», – говорит Ноэль. «Абсолютно жизненно важно обладать такими фундаментальными знаниями, чтобы иметь возможность разрабатывать молекулярные системы, которые могут выполнять конкретную задачу даже в следующем поколении питательных культур, способных преобразовывать углекислый газ, вызывающий парниковый эффект, в молекулы, необходимые для жизни."