16:28 2023-02-07
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Trasarea unui puzzle de chimie a plantelor până la rădăcini
_ Urmărirea chimiei unei plante puzzle până la rădăcini
Studentul absolvent Colin Kim făcuse progrese bune într-un puzzle științific care îl fascinase de când s-a alăturat laboratorului Jing-Ke Weng, membru al Institutului Whitehead, încercând să înțeleagă cum cumarina sintaza (COSY), o enzimă pe care plantele o folosesc pentru a produce molecule importante din punct de vedere agricol și medicinal, numite cumarine, își face treaba.
O serie de experimente de succes au luminat multe dintre secretele COSY, dar acestea au fost urmate. prin experimente nereusite. Acum, Kim s-a trezit într-o situație familiară oricărui cercetător de știință: era blocat. În puzzle-ul lipsea o piesă despre modul în care funcționează COZY, o parte subtilă de chimie pe care nu a reușit să o identifice.
Sperând să dea peste o idee care ar putea ajuta la rezolvarea puzzle-ului, a început Kim. curățarea vechilor lucrări de cercetare legate de producția vegetală de cumarine. Oamenii de știință se referă în mod constant la studiile anterioare pentru a înțelege ceea ce se știe deja despre subiectul lor de cercetare și pentru a căuta tehnici experimentale pe care ar putea să le aplice în propria lor muncă. Weng și Kim sperau că o lucrare istorică ar putea stârni o asemenea inspirație.
Momentul becului a izbucnit când Kim citea o lucrare din 2008, cu ani înainte ca COZY să fi fost descoperit. Cercetătorii au efectuat un experiment ciudat cu rădăcinile de manioc și au făcut o descoperire uluitoare; a fost percepția lor indiciul de care Kim avea nevoie? Efectuarea însuși a unei versiuni a experimentului avea să dezvăluie în curând răspunsul.
Eforturile lui Kim de a înțelege COZY au început în 2019, la scurt timp după ce s-a alăturat laboratorului lui Weng, când cercetătorul postdoctoral de pe atunci Andrew Mitchell l-a prezentat pe acesta. proiect. Cercetătorii de la Universitatea Ghent, conduși de primii autori Ruben Vanholme și Lisa Sundin, tocmai publicaseră descoperirea enzimei.
Enzimele sunt molecule care permit sau accelerează reacțiile chimice, iar plantele au dezvoltat multe enzime specializate în pentru a crea o multitudine de produse moleculare naturale. Deoarece plantele nu se pot mișca, ele produc în schimb un arsenal de molecule cu care pot reacționa la mediul lor: molecule care le protejează împotriva dăunătorilor și ierbivorelor, maximizează absorbția nutrienților, atrag polenizatorii, îi ajută să tolereze seceta și multe altele.
Cumarinele sunt o familie de molecule produse de multe plante, care le ajută să extragă fierul din sol. Plantele folosesc, de asemenea, cumarinele ca parte a apărării lor chimice și pentru a ajuta la reglarea interacțiunilor cu microbii. Cumarinele au, de asemenea, proprietăți medicinale puternice. Ele pot fi utilizate pentru a preveni formarea cheagurilor de sânge; warfarina, un diluant al sângelui care este unul dintre cele mai prescrise medicamente în S.U.A., este derivată dintr-o cumarină.
Cercetătorii obișnuiau să creadă că plantele se bazau pe reacții chimice spontane, facilitate de lumină, pentru a realiza pași importanți. în procesul de producere a cumarinelor. Apoi, în 2019, Vanholme, Sundin și colegii săi au descoperit COSY în planta model Arabidopsis thaliana și au descoperit că plantele folosesc enzima pentru a accelera producția de cumarină.
COSY aparține unei familii de enzime numite aciltransferaze BAHD, dar activitatea sa este foarte diferită de rudele apropiate. Alte BAHD-uri preiau două molecule și le unesc împreună. COSY lucrează pe o moleculă și permite modificări în interiorul acelei molecule care îi permit în cele din urmă să formeze o formă de inel, care este necesară pentru a produce cumarina. COSY face acest lucru folosind o izomerizare trans-la-cis, ceea ce înseamnă că rupe o legătură dublă între doi atomi de carbon - de obicei o legătură chimică foarte stabilă și, prin urmare, necesită multă energie pentru a se rupe - permițând unui grup chimic să se răstoarne dintr-o parte a dublă legătură de cealaltă parte, unde grupul chimic este folosit pentru a forma inelul.
Kim a vrut să știe cum COSY este capabil să faciliteze această chimie unică. Pentru a rezolva puzzle-ul, Kim și-a propus mai întâi să-și facă o imagine mai bună despre COSY.
Kim și colegii au folosit un proces numit cristalizare pentru a captura structura 3D și machiajul molecular COSY. La prima vedere, COSY a părut foarte asemănător cu alte aciltransferaze BAHD. Avea aceeași formă generală: două globuri mari conectate printr-o secțiune strunoasă numită buclă de legătură. Ceea ce face ca COZY să fie unic a devenit evident doar atunci când cercetătorii s-au uitat îndeaproape la locul activ sau locația în care enzimele interacționează cu moleculele pe care le afectează.
Majoritatea BAHD-urilor au două buzunare de legare în locul lor activ, locuri în care acestea ia cele două molecule cu care interacționează. Unul dintre buzunarele de legare ale COSY a fost blocat, lăsând disponibil doar celălalt buzunar de legare. Pierzând un buzunar de legare, COSY s-a adaptat să facă modificări interne unei singure molecule, mai degrabă decât să unească două molecule. Această descoperire a ajutat la clarificarea modului în care COSY a evoluat din alte BAHD-uri: o simplă restructurare i-a permis lui COSY să se îndepărteze de rudele sale enzimatice și să-și asume o funcție complet nouă.
Cu structura cristalină în mână, Kim a vrut apoi să înțeleagă cât de COZY interacționează de fapt cu molecula pe care o transformă într-o cumarină. El a început să modifice sistematic COSY, eliminând părți ale enzimei, pentru a vedea ce părți erau necesare. Cu toate acestea, partea pe care Kim se aștepta cel mai mult să fie necesară - o histidină, un aminoacid care este esențial în alte BAHD - s-a dovedit a fi neesențială pentru funcția COSY. Kim era nedumerită. Era timpul să facem niște teme - să citesc lucrări vechi.
Kim și colegii sai s-au uitat la cercetările anterioare despre sinteza cumarinei în plante. Poate că, chiar dacă cercetătorii din trecut nu știau de existența COSY, au identificat totuși aspecte ale producției de cumarină care ar putea oferi indicii despre cum funcționează COSY. Căutarea lui Kim l-a condus la lucrarea din 2008 a lui Soad A.L. Bayoumi și a colegilor de la Universitatea din Bath, în care au descoperit că cumarinele se acumulează în rădăcinile de manioc după recoltare.
La acea vreme, cercetătorii credeau că substanța chimică reacția plantelor de a crea cumarine a avut loc spontan, facilitată de lumină. Cu toate acestea, această lucrare a constatat că lumina nu este necesară și a concluzionat că ar putea exista, în schimb, o enzimă necunoscută care joacă un rol în sinteza cumarinei. Ei au ajuns la această concluzie după ce au alimentat molecule de rădăcini de manioc care conțin deuteriu, o variantă a hidrogenului, pentru a afla dacă producerea de cumarine implica chimia acido-bazică.
Când o enzimă a plantei realizează chimia acido-bazică. , acest lucru se întâmplă în mod invizibil, deoarece enzima împrumută un hidrogen care este imediat înlocuit cu un hidrogen identic. Cu toate acestea, dacă cercetătorii fac ca planta să crească astfel încât moleculele ei să conțină deuteriu, atunci ei pot vedea dacă planta înlocuiește deuteriul cu un hidrogen și știu că reacția a avut loc.
Hranind rădăcinile de manioc cu deuteriu- conținând precursori ai cumarinei, Bayoumi și colab. au fost capabili să observe o schimbare deuteriu-hidrogen în timpul sintezei cumarinei. Acest lucru le-a sugerat că un fel de chimie acido-bazică, facilitată de o enzimă, avea loc. Kim era sigur că aveau dreptate și, acum, că enzima speculativă a fost găsită, le-a putut confirma ipoteza.
Kim și colegii au creat trei variante ale experimentelor cu hidrogen/deuteriu cu structura cristalină a COZY în minte. Toate trei au arătat că COSY folosește geometria sa unică a locului activ pentru a împrumuta un hidrogen din apropiere și a-l schimba pe molecula asupra căreia acționează. Un pas invizibil în procesul COSY a fost făcut vizibil. Acum că Kim știa că COZY folosește chimia acido-bazică, și-a putut da seama cum funcționează.
Kim și colaboratorii de la departamentul de inginerie chimică al Institutului de Tehnologie din Massachusetts (MIT) au folosit simulări de dinamică moleculară și cuantică. modelare mecanică pentru a sublinia, pas cu pas, modul în care COZY catalizează modificările necesare asupra moleculei precursoare de cumarină la care lucrează.
În cele din urmă, aceasta este ceea ce au stabilit, după cum au publicat în Nature Communications pe 3 februarie: COSY preia o moleculă, un precursor al cumarinelor. Utilizează chimia acido-bazică, împrumutând un hidrogen de la o moleculă de apă din apropiere, pentru a converti legătura dublă a moleculei precursoare într-o legătură simplă. Molecula se poate reorienta apoi în jurul acestei legături unice rotative în poziția corectă pentru a forma un inel, ceea ce duce la producerea unei molecule de cumarină. Fără COSY, reacția ar avea loc spontan printr-o cale alternativă, dar într-un ritm mult mai lent.
Rezolvarea modului în care funcționează COSY ar putea ajuta la producerea de produse cumarinică în agricultură și medicină. De asemenea, ar putea ajuta cercetătorii care încearcă să creeze proteine, deoarece pot învăța din structura și mecanismele COSY. Dar, în mare parte, Weng și Kim consideră că rezolvarea puzzle-ului COSY ilustrează frumusețea și puterea evoluției plantelor.
„Toate plantele superioare conțin COSY și ceea ce ne spune este că reacția spontană nu este suficient de rapidă. ”, spune Weng, care este și profesor asociat de biologie la MIT. „Natura este aspră, iar marginea mică pe care o pot obține plantele prin dezvoltarea unei noi enzime care să accelereze producția de cumarină este suficient de benefică pentru ca plantele care nu pot face asta să se stingă.”
„La suprafață, COSY și rudele sale cu enzime arată la fel, dar când măriți efectiv, există schimbări subtile care schimbă complet traiectoria funcției enzimatice și o determină să îndeplinească această sarcină foarte specializată și totuși foarte importantă în plante", spune Kim. .
Dacă COSY nu și-ar fi dezvoltat un singur buzunar de legare, cu configurația sa unică, atunci nu ar fi capabil să realizeze chimia elaborată acido-bazică care conferă plantelor care conțin COSY marginea lor.
„Situl activ a evoluat și restructurat pentru a permite ca această reacție să aibă loc într-un mod foarte complicat și rafinat”, spune Kim. „Dacă nu am fi dat peste hârtia care ne-a condus la schimbul de hidrogen, nu am fi putut descoperi asta.”
Comentarii:
Adauga Comentariu