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     时间:2021-04-08 10:05:04  来源:

    植物是地球上最有效的能源转换器之一。它们捕获太阳能并将其转换为碳基化合物,这些化合物可用于能源,还可以构成植物的重要组成部分,包括围绕每个植物细胞的细胞壁。在美国能源部(DOE)Brookhaven国家实验室进行的一项新的生化遗传学研究中,科学家们揭示了有助于将碳引导进入关键的细胞壁成分的分子机制的新细节。

    了解植物细胞如何控制其外部支持物的结构可以帮助科学家设计出新方法,以促进碳在这些结构中的存储,或促进将基于碳的生物质转化为生物燃料和其他有用产品。

    这项发表在自然植物上的研究报告说,嵌入植物细胞内膜上的两种蛋白质如何作为支架来组织三种关键酶,这些酶特异性地将碳引导进入称为木质素的细胞壁聚合物的合成中。

    木质素对于植物直立生长的能力是必不可少的,并且代表植物的重要碳储存成分。但是由于它包围着其他细胞壁成分,纤维素和半纤维素。木质素保护了这些富含碳的物质免受通常用于将其转化为燃料或其他生物产品的生化过程的影响。特别是了解木质素合成的细节,可能会提供有关如何克服这一挑战的线索。

    这三种酶建立了称为单木酚醇的生物化学结构单元的结构特征,它们可以连接形成木质素。科学家以前认为这些酶是相互关联的,并充当组织单木酚合成的锚点。

    Brookhaven生物化学家兼项目负责人Liu Chang-Jun说:“我们开始了这个项目,以详细研究这三种酶的相互作用。”“我们发现,即使这三种酶在称为内质网的膜上彼此靠近,它们也不会直接相互作用。而是两个单独的蛋白质与所有三种酶相互作用。”

    分离的蛋白质是内质网中嵌入的“膜类固醇结合蛋白”(MSBP),即细胞内膜的“高速公路”,内衬有制造蛋白质并将分子产物运入细胞内或运出细胞的分子机器。

    Liu说:“这些与膜结合的蛋白质充当了将三种酶组织化和稳定化的一种支架,从而控制了一种分子代谢机制,该代谢机制控制着专门将碳引导进入木质素前体的代谢途径。”

    Liu指出,使酶参与新陈代谢途径的顺序步骤在空间上彼此靠近,可以提高该途径的效率。但是,在本研究之前,关于单木质酚生物合成酶如何组织的细节尚不清楚。

    研究细节

    刘说:“我们首先寻找单木酚生物合成酶之间直接相互作用的证据。”他们在酵母细胞培养物中使用了生化技术,该技术通常用作研究蛋白质-蛋白质相互作用的模型系统。但是,在没有发现相互作用的情况下,这是令人惊讶的,他们重复了在植物细胞培养中的研究。

    在这些研究中,科学家使用荧光标记和成像技术在植物细胞内定位蛋白质。这次,他们的发现证实了所有三种酶都沿着内质网彼此靠近,这意味着相互作用。

    “这两种检测结果之间的矛盾向我们表明,通过荧光成像观察到的三种酶之间的相互作用可能是间接的?并表明其他蛋白质或因子可能介导了体内酶之间的联系。”说过。

    为了检验该假设,科学家制造了三种酶以与特定标签融合,并在植物细胞中产生它们。然后,他们将这些酶从细胞中抽出,并检查了与三种酶一起出现的所有蛋白质。这些研究使用液相色谱-质谱联用技术,鉴定了伴随着这三种酶的两种膜类固醇结合蛋白。科学家还表明,膜类固醇结合蛋白可以彼此结合或彼此结合形成蛋白簇。

    Liu说:“这些观察结果强烈表明,MSBP将单木酚生物合成酶组织成一个多聚体蛋白复合物或酶簇。”

    他补充说:“通过这种类型的组织,这三种酶可以彼此靠近放置,而不必直接相互作用。”这种布置将通过使酶和它们的共同辅因子以足够高的浓度彼此靠近,从而有效地转移发生有效化学反应所需的碳底物和电子,来帮助推动木质素的合成。

    为了测试MSBP的作用,科学家创建了抑制这些蛋白质基因的植物株系。虽然那些植物仍然可以产生三种单木酚醇合成酶,但最终得到的木质素却少得多。

    此外,这种抑制作用不会影响另一类密切相关的化学品的形成,这些化学品的合成需要三种单木酚合成酶中的一种。

    这些数据使科学家确信,MSBP介导的酶组织特别促进了木质素的形成。

     

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