Forskere udvikler metalloenzymbiosensor til overvågning af ethylenindhold i frugter

Forskere fra en international gruppe ledet af RIKEN -klyngen for banebrydende forskning i Japan har udviklet en enkel måde at overvåge niveauet af ethylen, et vigtigt hormon, i planter. Ethylen er involveret i mange processer i planter, såsom modning af frugt og tab af blade om efteråret. Påvisningen blev udført af et kunstigt metalloenzym, hvilket betyder et protein - i dette tilfælde albumin - der omslutter et metal, der fungerer som en katalysator.

Metalloenzymer er meget almindelige i naturen, fungerer på steder som blodet, hvor jernatomer i hæmoglobin hjælper med at transportere ilt, eller i plantekloroplaster hvor manganatomer hjælper processen med fotosyntese. Proteinerne tillader metalkatalysatorerne at passere gennem kroppen og ind i vævene, hvor de er nødvendige uden at blive "slukket" af antioxidanter såsom glutathion. Kemisk "design" gør det nu muligt for menneskelige forskere at designe kunstige metalloenzymer, modelleret efter naturlige molekyler, men som udfører funktioner, der ikke findes i naturen.

For den aktuelle undersøgelse, udgivet i Naturkommunikation , medlederforfattere Kenward Vong og Shohei Eda fra RIKEN CPR besluttede at fokusere deres arbejde på en biosensor til påvisning af ethylengas. Ethylengas er et af de tre store hormoner, som planter bruger. Det vides at være involveret både i udviklingen af ​​planter, såsom frugtmodning, taber blade før vinteren, og vokser nye blade, og som reaktion på belastninger såsom predation og tørke. Af denne grund, ethylen anvendes almindeligvis på frugtplanter for at tilskynde frugterne til at modnes.

De designede et molekyle indeholdende et albumin -stillads, der blev brugt til at holde en rutheniumkatalysator, designet på en sådan måde, at det ville blive fluorescerende i nærvær af ethylen. De testede metalloenzymet på forskellige frugter og grøntsager, og de fandt ud af, at det var i stand til at detektere tilstedeværelsen af ​​ethylen i frugter, efterhånden som de modnes. I modsætning til tidligere biosensorer af ethylen, imidlertid, det var i stand til at vise fordelingen af ​​ethylen over frugten, giver et detaljeret rumligt og tidsmæssigt kort over, hvordan ethylen spredte sig. Gruppen brugte derefter en eksperimentel plantemodel, Arabidopsis thaliana, at undersøge frigivelsen af ​​ethylen som reaktion på belastninger såsom patogener, og de fandt ud af, at bioassayet var i stand til nøjagtigt at påvise tilstedeværelsen af ​​ethylen.

Ifølge Katsunori Tanaka, lederen af ​​forskningsgruppen, "Vores arbejde har to vigtige konsekvenser. Den ene er inden for kunstige metalloenzymer, hvor vi har kunnet bruge et naturprincip til at producere noget, der ikke findes i naturen. Og for det andet, vores arbejde vil bidrage til at forstå, hvordan ethylen produceres i planter, som vi kan måle koncentrationen af ​​ethylen, når den stadig er i cellerne. "

Gruppen planlægger at fortsætte arbejdet med at forbedre systemet, for eksempel ved at gøre dens reaktivitet hurtigere, så den kan måle ethylen, før den overgår til gas, og for at forbedre dets evne til at komme ind i celler i stedet for at forblive i det ekstracellulære miljø.