Растения производят удивительное разнообразие химических веществ
Большинство этих метаболитов участвуют в химической коммуникации и служат для защиты от вредителей, патогенов и привлечения полезных организмов. Одним из примеров является индол — азотсодержащее ароматическое соединение, которое выступает центральным промежуточным продуктом в биосинтезе аминокислоты триптофана.
Индол как предшественник защитных веществ
У многих растений индол также служит предшественником для защитных веществ. Многие растения выделяют летучий индол при атаке травоядных, чтобы отпугнуть их или предупредить соседние растения о предстоящей атаке. Это усиливает устойчивость растений. Индол также может привлекать опылителей как компонент цветочного аромата.
Исследование псевдофермента TSB-like
Матильда Флореан и Тобиас Кёллнер, возглавляющий исследовательскую группу в отделе биосинтеза природных соединений Института химической экологии Общества Макса Планка, изучают ферменты, участвующие в биосинтезе бензоксазиноев. Бензоксазиноев — это специализированные защитные соединения в растениях, для производства которых требуется индол в качестве предшественника. Их исследование опубликовано в Nature Chemical Biology.
Некоторые виды растений, такие как кукуруза и живокость (однодольные и базальные двудольные), имеют ферменты, которые активны и отвечают за биосинтез индола. Однако у основных двудольных растений ферменты активны слабо.
«Мы предположили, что у этих растений есть другой, более эффективный механизм биосинтеза индола», — говорит Флореан, первый автор исследования.
Команда протестировала множество различных ферментов, которые могли быть вовлечены в ключевой этап синтеза индола, используя модельное растение Nicotiana benthamiana. Они также провели ферментативные тесты с очищенными белками in vitro. В ходе этих экспериментов исследователи обнаружили, что биосинтез индола у этих растений опосредуется псевдоферментом TSB-like.
Псевдоферменты — это белки, которые внешне похожи на активные ферменты, но не способны катализировать реакции. Псевдофермент TSB-like структурно похож на фермент TSB (бета-субъединица триптофансинтазы), однако, в отличие от TSB, TSB-like не участвует в образовании триптофана. TSB обычно связывается с другой ферментом TSA (альфа-субъединица триптофансинтазы) и активирует его. Это приводит к кратковременному образованию индола, который затем немедленно преобразуется в триптофан с помощью TSB. TSB-like связывается с TSA и активирует его, но взаимодействие между TSB-like и TSA не приводит к образованию триптофана. Поэтому индол может выделяться как летучее соединение.
«Обычно мы ищем ферменты, которые проявляют каталитическую активность для интересующей нас реакции. Те, которые этого не делают, обычно нас мало интересуют. Поэтому было удивительно увидеть, что биосинтез индола опосредуется псевдоферментом, который направляет активность активного фермента на производство индола для выделения в виде летучих соединений или биосинтеза специализированных защитных соединений», — говорит Кёллнер.
Псевдоферменты трудно обнаружить, поскольку у них отсутствует ферментативная активность без подходящего партнёра по связыванию. Однако они не редки и могут составлять до 10% протеома, или совокупности всех белков. В этой относительно новой области исследований учёные всё ещё имеют много вопросов об этих белках.
Исследовательская группа теперь хочет выяснить, как растения регулируют активность псевдоферментов, таких как TSB-like. Их особенно интересует, как растения предотвращают конкуренцию TSB-like с каталитически активным ферментом TSB за необходимый биосинтез триптофана.
«Раскрытие механизма, с помощью которого большая и экономически важная группа основных двудольных растений производит индол, также имеет значение для современного сельского хозяйства», — говорит Сара О’Коннор, заведующая отделом биосинтеза природных соединений. Одной из возможностей является целенаправленное разведение растений, которые более привлекательны для опылителей и менее восприимчивы к патогенам и вредителям.