Detail baru tentang mesin molekuler yang membangun komponen dinding sel tanaman

Anonim

Tanaman adalah salah satu konverter energi paling efektif di Bumi. Mereka menangkap energi matahari dan mengubahnya menjadi senyawa berbasis karbon yang digunakan untuk energi dan juga untuk membangun komponen tanaman penting, termasuk dinding sel yang mengelilingi setiap sel tumbuhan. Dalam studi genetika biokimia baru di Laboratorium Nasional Brookhaven AS Departemen Energi (DOE), para ilmuwan mengungkapkan rincian baru dari mesin molekuler yang membantu menyalurkan karbon ke dalam komponen sel-dinding kunci.

Mempelajari bagaimana sel tumbuhan mengontrol konstruksi pendukung eksteriornya dapat membantu para ilmuwan menemukan cara baru untuk mempromosikan penyimpanan karbon dalam struktur ini atau memfasilitasi konversi biomassa berbasis karbon menjadi biofuel dan produk berguna lainnya.

Studi yang dipublikasikan di Nature Plants, melaporkan bagaimana dua protein yang tertanam pada membran dalam sel tumbuhan berfungsi sebagai perancah untuk mengatur tiga enzim utama yang secara khusus menyalurkan karbon ke dalam sintesis polimer sel-dinding yang disebut lignin.

Lignin sangat penting bagi kemampuan tanaman untuk tumbuh tegak dan mewakili komponen penyimpanan karbon substansial dari tanaman. Tetapi karena ia mengelilingi komponen dinding sel lainnya — selulosa dan hemiselulosa — lignin melindungi zat-zat kaya karbon ini dari proses biokimia yang biasa digunakan untuk mengubahnya menjadi bahan bakar atau produk bio lainnya. Memahami detail sintesis lignin, khususnya, mungkin menawarkan petunjuk tentang cara menaklukkan tantangan ini.

Ketiga enzim membentuk karakteristik struktural blok bangunan biokimia yang dikenal sebagai monolignol, yang terhubung ke bentuk lignin. Para ilmuwan sebelumnya berpikir bahwa enzim ini terkait satu sama lain dan berfungsi sebagai situs jangkar untuk mengorganisasikan sintesis monolignol.

"Kami memulai proyek ini untuk mempelajari interaksi dari ketiga enzim ini secara rinci, " kata ahli biokimia dan pemimpin proyek Brookhaven, Chang-Jun Liu. "Kami menemukan bahwa meskipun tiga enzim terletak berdekatan satu sama lain pada membran yang dikenal sebagai retikulum endoplasma, mereka tidak berinteraksi secara langsung. Sebaliknya, dua protein terpisah berinteraksi dengan ketiga enzim."

Protein yang terpisah adalah "protein pengikat steroid membran" (MSBPs) yang tertanam di retikulum endoplasma - "jalan" interior sel dari membran yang dilapisi dengan mesin molekuler yang membuat protein dan mengangkut produk-produk itu di dalam atau di luar sel.

"Protein terikat-membran berfungsi sebagai perancah untuk mengatur dan menstabilkan tiga enzim menjadi jenis mesin molekuler yang mengontrol jalur metabolisme penyaluran karbon khusus ke dalam membangun prekursor lignin, " kata Liu.

Memiliki enzim yang terlibat dalam langkah-langkah berurutan dari jalur metabolik yang diatur secara spasial dekat satu sama lain dapat meningkatkan efisiensi jalur itu, Liu mencatat. Tetapi rincian tentang bagaimana enzim biosintesis monolignol terorganisir adalah sulit dipahami sebelum penelitian ini.

Rincian penelitian

"Kami mulai dengan mencari bukti interaksi langsung antara enzim biosintesis monolignol, " kata Liu. Mereka menggunakan teknik biokimia dalam kultur sel ragi, yang sering digunakan sebagai sistem model untuk mempelajari interaksi protein-protein. Tetapi setelah menemukan tidak ada interaksi — yang merupakan kejutan — mereka mengulangi studi dalam kultur sel tumbuhan.

Dalam penelitian ini, para ilmuwan menggunakan teknik pelabelan dan pencitraan fluorescent untuk menemukan protein di dalam sel tumbuhan. Kali ini temuan mereka menegaskan bahwa ketiga enzim terletak berdekatan satu sama lain di sepanjang retikulum endoplasma, menyiratkan suatu interaksi.

"Kontradiksi hasil antara dua tes ini menunjukkan kepada kita bahwa interaksi dari tiga enzim yang diamati melalui pencitraan fluoresensi mungkin tidak langsung - dan menyarankan bahwa protein atau faktor tambahan mungkin memediasi hubungan antara enzim in vivo, " kata Liu.

Untuk menguji hipotesis itu, para ilmuwan membuat tiga enzim untuk menyatu dengan tag spesifik dan memproduksinya dalam sel tumbuhan. Kemudian, mereka menarik enzim-enzim itu keluar dari sel dan memeriksa semua protein yang keluar bersama dengan tiga enzim. Mereka studi, menggunakan spektrometri massa kromatografi-digabungkan cair, diidentifikasi dua protein mengikat membran steroid yang menyertai tiga enzim. Para ilmuwan juga menunjukkan bahwa protein pengikat steroid membran dapat mengasosiasikan dirinya atau satu sama lain untuk membentuk gugus protein.

"Observasi tersebut sangat menyarankan bahwa MSBP mengatur enzim biosintesis monolignol menjadi kompleks protein multimerik atau gugus enzimatik, " kata Liu.

"Dengan tipe organisasi seperti itu, ketiga enzim dapat ditempatkan berdekatan tanpa harus memiliki interaksi langsung, " tambahnya. Pengaturan seperti itu akan membantu mendorong sintesis lignin dengan menjaga enzim dan kofaktor umum mereka berdekatan satu sama lain pada konsentrasi yang cukup tinggi untuk secara efektif mentransfer substrat karbon dan elektron yang diperlukan agar reaksi kimia yang efisien dapat terjadi.

Untuk menguji peran MSBP, para ilmuwan menciptakan garis tanaman di mana gen untuk protein ini ditekan. Sementara tanaman-tanaman itu masih bisa membuat tiga sintesis enzim monolignol, mereka berakhir dengan lignin yang secara signifikan lebih sedikit.

Selain itu, penindasan seperti itu tidak mempengaruhi pembentukan golongan kimia lain yang berkaitan erat yang sintesisnya membutuhkan salah satu dari tiga enzim sintesis monolignol.

Data ini meyakinkan para ilmuwan bahwa organisasi enzim yang dimediasi MSBP secara khusus memfasilitasi pembentukan lignin.

menu
menu