Storstilet tilgang afslører ufuldkommen aktør inden for plantebioteknologi

Et forskerhold ledet af Whitehead Institute for Biomedical Research har udnyttet metabolomiske teknologier til at opklare de molekylære aktiviteter af et vigtigt protein, der kan sætte planter i stand til at modstå et almindeligt herbicid. Deres fund afslører, hvordan proteinet - en slags katalysator eller enzym, først isoleret i bakterier og introduceret i planter, herunder afgrøder som majs og sojabønner, i 1990'erne - kan nogle gange handle upræcist, og hvordan det med succes kan omdesignes for at være mere præcist. Den nye undersøgelse, som vises online i journalen Naturplanter , hæver standarderne for bioingeniør i det 21. århundrede.

"Vores arbejde understreger et kritisk aspekt af bioingeniør, som vi nu bliver teknisk i stand til at løse, "siger seniorforfatter Jing-Ke Weng, medlem af Whitehead Institute og assisterende professor i biologi ved Massachusetts Institute of Technology. "Vi ved, at enzymer kan opføre sig vilkårligt. Nu, vi har de videnskabelige evner til at opdage deres molekylære bivirkninger, og vi kan udnytte denne indsigt til at designe smartere enzymer med forbedret specificitet. "

Planter giver en ekstraordinær model for forskere til at studere, hvordan stofskifte ændrer sig over tid. Fordi de ikke kan flygte fra rovdyr eller søge efter nye fødekilder, når forsyningerne er ved at være lave, planter må ofte kæmpe med en række miljøforulskelser ved hjælp af det, der er let tilgængeligt - deres egen interne biokemi.

"Selvom de ser ud til at være stationære, planter har hurtigt udviklede metaboliske systemer, "Weng forklarer." Nu, vi kan få et hidtil uset syn på disse ændringer på grund af banebrydende teknikker som metabolomik, giver os mulighed for at analysere metabolitter og andre biokemikalier i bred skala. "

Nøglespillere i denne evolutionære proces - og et stort fokus for forskning i Wengs laboratorium - er enzymer. Traditionelt set disse naturligt forekommende katalysatorer er blevet betragtet som mini-maskiner, tager det korrekte udgangsmateriale (eller substrat) og omdanner det fejlfrit til det korrekte produkt. Men Weng og andre forskere erkender nu, at de begår fejl - ofte ved at låse sig fast på et utilsigtet substrat. "Dette koncept, kendt som enzym promiskuitet, har en række implikationer, både i enzymudvikling og mere bredt, ved menneskelig sygdom, "Siger Weng.

Det har også konsekvenser for bioingeniør, som Bastien Kristus, en postdoktor i Wengs laboratorium, og hans kolleger for nylig opdagede.

Kristus, derefter en kandidatstuderende i Stefan Hörtensteiners laboratorium ved universitetet i Zürich i Schweiz, studerede en særlig stamme af den blomstrende plante Arabidopsis thaliana som en del af et separat projekt, og han gjorde en forvirrende observation:to biokemiske forbindelser blev fundet på usædvanligt høje niveauer i deres blade.

Mærkeligt, disse forbindelser (kaldet acetyl-aminoadipat og acetyl-tryptophan) var ikke til stede i nogen af ​​de normale, såkaldte "vildtype" planter. Da han og hans kolleger søgte efter en forklaring, de indsnævrede sig på kilden:et enzym, kaldet BAR, der blev konstrueret til planterne som en slags kemisk fyrtårn, gør det muligt for forskere at studere dem lettere.

Men BAR er mere end bare et værktøj til forskere. Det er også et af de mest anvendte træk i genetisk modificerede afgrøder, såsom sojabønner, majs, og bomuld, gør dem i stand til at modstå et meget brugt herbicid (kendt som phosphinothricin eller glufosinat).

I årtier, forskere har vidst, at BAR, oprindeligt isoleret fra bakterier, kan gøre herbicidet inaktivt ved at klæbe på en kort række kemikalier, lavet af to carbonatomer og en oxygen (også kaldet en acetylgruppe). Som forskerne beskriver i deres Nature Plants -papir, har en diskret side, og kan arbejde på andre underlag, også, såsom aminosyrerne tryptophan og aminoadipat (et lysinderivat).

Det forklarer, hvorfor de kan påvise de utilsigtede produkter (acetyl-tryptophan og acetyl-aminoadipat) i afgrøder, der er genetisk manipuleret til at bære BAR, såsom sojabønner og raps.

Deres forskning omfattede detaljerede undersøgelser af BAR -proteinet, herunder krystalstrukturer af proteinet bundet til dets substrater. Dette gav dem en blueprint til, hvordan man strategisk ændrer BAR for at gøre den mindre promiskuøs, og favoriserer kun herbicidet som et substrat og ikke aminosyrerne. Kristus og hans kolleger skabte flere versioner, der mangler den uspecifikke aktivitet af det originale BAR-protein.

"Det er naturlige katalysatorer, så når vi låner dem fra en organisme og sætter dem i en anden, de er muligvis ikke nødvendigvis perfekte til vores formål, "Kristus siger." Indsamling af denne form for grundlæggende viden om, hvordan enzymer fungerer, og hvordan deres strukturpåvirkninger fungerer, kan lære os, hvordan vi vælger de bedste værktøjer til bioingeniør. "

Der er andre vigtige lektioner, også. Da BAR -egenskaben første gang blev evalueret af den amerikanske FDA - i 1995, til brug i raps, og i de efterfølgende år for andre afgrøder-metabolomik var stort set ikke-eksisterende som en teknologi til biomedicinsk forskning. Derfor, det kunne ikke anvendes til karakterisering af gensplejsede planter og fødevarer, som en del af deres lovgivningsmæssige gennemgang. Alligevel, acetyl-aminoadipat og acetyl-tryptophan, som normalt findes i mennesker, er blevet gennemgået af FDA og er sikre til konsum af mennesker og dyr.

Weng og hans kolleger mener, at deres undersøgelse er et stærkt argument for at overveje metabolomiske analyser som en del af gennemgangsprocessen for fremtidige gensplejsede afgrøder. "Dette er en advarsel, "Siger Weng.