Fjernelse af bremser på planteolieproduktion

Forskere, der studerer plantebiokemi ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory, har opdaget nye detaljer om biomolekyler, der sætter bremserne i olieproduktionen. Resultaterne tyder på, at deaktivering af disse biomolekylære bremser kan skubbe olieproduktionen i høj gear - en mulig vej mod generering af rigelige biobrændstoffer og planteafledte bioprodukter. Undersøgelsen vises i tidsskriftet Plantefysiologi .

"Det er normalt for planteceller at nedregulere olieproduktionen, når vi fodrer dem med overskydende fedtsyrer, og denne undersøgelse bekræfter vores hypotese om, hvordan de gør det. Men vi opdagede også, at bremserne på olieproduktion er delvist aktiveret selv under normale forhold, hvilket var en stor overraskelse, " sagde Brookhaven Lab biokemiker John Shanklin, der ledede forskningen.

"Det ville være som at køre bil i flere år og en dag finde ud af, at en parkeringsbremse, du ikke kendte til, havde været på hele tiden. Når du fjerner den bremse, bilen har meget mere kraft; det er det, vi lige har opdaget til produktion af planteolie, " han sagde.

En delikat balance

Det centrale biomolekyle i denne undersøgelse er enzymet, der bestemmer hastigheden af ​​olieproduktionen. Det enzym, kendt som ACCase, er et protein lavet af fire underenheder, som alle er nødvendige for at enzymet kan fungere. Med alle fire underenheder på plads, enzymet driver det første trin i syntesen af ​​fedtsyrer, nøglekomponenter i olier.

Tidligere arbejde fra Shanklins gruppe i 2012 afslørede, at når planteceller blev fodret med et kortvarigt overskud af fedtsyrer (varede mindre end to dage), en feedback-loop hæmmede dette enzym, så olieproduktionen ville bremse. Så længe fedtsyrekoncentrationerne faldt inden for to dage, enzym- og olieproduktionen ville vende tilbage. Men et længerevarende overskud af fedtsyrer vil permanent deaktivere enzymet. På det tidspunkt, videnskabsmænd kendte til flere måder, hvorpå enzymet kunne hæmmes, men ingen af ​​disse måder kunne forklare den irreversible hæmning, de observerede.

Da kolleger ved University of Missouri opdagede en inaktiv version af en af ​​de fire enzymunderenheder i 2016, Shanklin havde mistanke om, at denne inaktive underenhed kunne være årsagen til den permanente nedlukning - ved at erstatte en af ​​de aktive underenheder i enzymet. Han designede denne nye undersøgelse for at teste den hypotese.

Teammedlem Hui Liu opnåede planter, hvor generne, der koder for de inaktive underenheder, var individuelt deaktiveret. Hun brugte disse varianter til at avle planter, der havde kombinationer af handicappede underenheder. Hvis Shanklins idé var korrekt, celler med handicappede inaktive underenheder ville have en lavere kapacitet til at slukke for enzymet.

"Vi havde en mistanke om, at deaktivering af generne ville slukke for off-kontakten til olieproduktion, lader plantecellerne lave mere olie, " forklarede Shanklin.

Da teammedlem Jan Keereetaweep testede denne idé ved at fodre plantecellerne med overskydende fedtsyrer, det var præcis, hvad der skete:Celler med kombinationer af de handicappede gener slukkede ikke olieproduktionen, som celler med de normale gener gjorde.

"Der var 50 procent mindre hæmning af olieproduktion i cellerne med handicappede gener sammenlignet med vildtype planteceller, " sagde Shanklin. Dette resultat bekræftede, at den inaktive underenhed, der kodes for af de normale gener i vildtypeplanterne, faktisk var det, der udløste permanent nedlukning af enzymet.

Men den store overraskelse kom, da Keereetaweep målte fedtsyresyntese i plantecellerne med handicappede inaktive underenheder uden kunstigt at fodre dem med overskydende fedtsyrer og sammenlignede resultaterne med resultaterne for vildtype planteceller under de samme forhold. Under disse normale forhold, hvor du ikke ville forvente at se olieproduktion hæmmet, enzymet, der driver olieproduktionen, var væsentligt mere aktivt i planteceller med de handicappede gener end i normale planteceller.

"Det betyder, at selv under normale forhold, inaktive underenheder sætter bremserne på ACCase, at reducere sin aktivitet og begrænse olieproduktionen, Shanklin sagde. "At deaktivere generne for de inaktive underenheder er som at tage bremserne fra bilen, afslører motorens sande potentiale."

"Dette projekt var et fremragende samarbejde mellem Keereetaweep, Liu, og Zhiyang Zhai for at besvare nogle grundlæggende videnskabelige spørgsmål om plantemetabolisme, " bemærkede Shanklin. "Nu, den viden, de genererede, kan potentielt understøtte strategier til at øge olieakkumulering i plantearter, der dyrkes til anvendelser såsom biobrændstoffer eller bioprodukter."