Nøgleenzym fundet i planter kan styre udviklingen af ​​medicin og andre produkter

Planter kan mange fantastiske ting. Blandt deres talenter, de kan fremstille forbindelser, der hjælper dem med at afvise skadedyr, tiltrække bestøvere, helbrede infektioner og beskytte sig selv mod for høje temperaturer, tørke og andre farer i miljøet.

Forskere fra Salk Institute, der studerer, hvordan planter udviklede evnerne til at fremstille disse naturlige kemikalier, har afsløret, hvordan et enzym kaldet chalcone-isomerase udviklede sig for at sætte planter i stand til at fremstille produkter, der er afgørende for deres egen overlevelse. Forskernes håb er, at denne viden vil informere fremstillingen af ​​produkter, der er gavnlige for mennesker, herunder medicin og forbedrede afgrøder. Undersøgelsen blev vist i den trykte version af ACS katalyse den 6. september, 2019.

"Siden landplanter først dukkede op på jorden for cirka 450 millioner år siden, de har udviklet et sofistikeret stofskiftesystem til at omdanne kuldioxid fra atmosfæren til et utal af naturlige kemikalier i deres rødder, skud og frø, " siger Salk Professor Joseph Noel, avisens seniorforfatter. "Dette er kulminationen på det arbejde, vi har udført i mit laboratorium i de sidste 20 år, forsøger at forstå plantens kemiske udvikling. Det giver os detaljeret viden om, hvordan planter har udviklet denne unikke evne til at lave nogle meget usædvanlige, men vigtige molekyler."

Tidligere forskning i Noel-laboratoriet så på, hvordan disse enzymer udviklede sig fra ikke-enzymproteiner, herunder at studere mere primitive versioner af dem, der optræder i organismer som bakterier og svampe.

Som enzym, chalcone isomerase fungerer som en katalysator til at fremskynde kemiske reaktioner i planter. Det hjælper også med at sikre, at de kemikalier, der fremstilles i planten, har den rigtige form, da molekyler med samme kemiske formel kan tage to forskellige variationer, der er spejlbilleder af hinanden (kaldet isomerer).

"I den farmaceutiske industri, det er vigtigt, at de stoffer, der fremstilles, er den rigtige version, eller isomer, fordi brug af den forkerte kan føre til utilsigtede bivirkninger, " siger Noel, som er direktør for Salks Jack H. Skirball Center for Chemical Biology and Proteomics og besidder Arthur og Julie Woodrow-stolen. "Ved at studere, hvordan chalcone-isomerase virker, vi kan lære mere om, hvordan man fremskynder fremstillingen af ​​de korrekte isomerer af lægemidler og andre produkter, der kan være vigtige for menneskers sundhed."

I den aktuelle undersøgelse, efterforskerne brugte adskillige strukturbiologiske teknikker til at undersøge enzymets unikke form, og hvordan dets form ændrer sig, når det interagerer med andre molekyler. De udpegede den del af chalcone-isomerasens struktur, der gjorde det muligt for den at katalysere reaktioner utroligt hurtigt, samtidig med at de sikrede, at den gør det korrekte, biologisk aktiv isomer. Disse reaktioner fører til en række aktiviteter i planter, herunder omdannelse af primære metabolitter som phenylalanin og tyrosin til vitale specialiserede molekyler kaldet flavonoider.

Det viste sig, at en bestemt aminosyre, arginin, det var en af ​​mange aminosyrer, der var knyttet sammen i chalcone-isomerase, der sad på et sted, formet af evolution, som tillod det at spille nøglerollen i, hvordan chalconisomerasereaktioner blev katalyseret.

"Ved at lave strukturelle undersøgelser og computermodellering, vi kunne se de meget præcise positioner af arginin i enzymets aktive sted, mens reaktionen forløb, " siger førsteforfatter Jason Burke, en tidligere postdoc-forskning i Noels laboratorium, som nu er assisterende professor ved California State University San Bernardino. "Uden den arginin, det virker ikke på samme måde."

Burke tilføjer, at denne type katalysator længe har været eftersøgt af organiske kemikere. "Dette er et eksempel på, at naturen allerede løser et problem, som kemikere har kigget på i lang tid, " tilføjer han.

"Ved at forstå chalcone isomerase, vi kan skabe et nyt værktøjssæt, som kemikere vil være i stand til at bruge til de reaktioner, de studerer, " siger Noel. "Det er helt afgørende at have denne form for grundlæggende viden for at være i stand til at designe molekylære systemer, der kan udføre en bestemt opgave selv i den næste generation af ernæringsmæssigt tætte afgrøder, der er i stand til at omdanne drivhusgassen kuldioxid til molekyler, der er afgørende for liv."