Een onderzoeksteam onder leiding van het Whitehead Institute for Biomedical Research heeft metabolomische technologieën gebruikt om de moleculaire activiteiten te ontrafelen van een belangrijk eiwit dat planten in staat kan stellen een veelvoorkomend herbicide te weerstaan. Hun bevindingen onthullen hoe het eiwit - een soort katalysator of enzym, eerst geïsoleerd in bacteriën en geïntroduceerd in planten, met inbegrip van gewassen zoals maïs en sojabonen, in de jaren negentig — kan soms onnauwkeurig handelen, en hoe het met succes opnieuw kan worden ontworpen om nauwkeuriger te zijn. De nieuwe studie, die online in het tijdschrift verschijnt Natuur Planten , verhoogt de normen voor bio-engineering in de 21e eeuw.

"Ons werk onderstreept een cruciaal aspect van bio-engineering dat we nu technisch in staat zijn aan te pakken, " zegt senior auteur Jing-Ke Weng, een lid van het Whitehead Institute en een assistent-professor biologie aan het Massachusetts Institute of Technology. "We weten dat enzymen zich willekeurig kunnen gedragen. Nu, we hebben de wetenschappelijke capaciteiten om hun moleculaire bijwerkingen te detecteren, en we kunnen die inzichten gebruiken om slimmere enzymen te ontwerpen met verbeterde specificiteit."

Planten bieden wetenschappers een buitengewoon model om te bestuderen hoe het metabolisme in de loop van de tijd verandert. Omdat ze niet kunnen ontsnappen aan roofdieren of op zoek gaan naar nieuwe voedselbronnen wanneer de voorraden opraken, planten moeten vaak worstelen met een reeks milieubeledigingen met behulp van wat direct beschikbaar is - hun eigen interne biochemie.

"Hoewel ze stil lijken te staan, planten hebben snel evoluerende stofwisselingssystemen, "Weng legt uit. "Nu, we kunnen een ongekend beeld krijgen van deze veranderingen dankzij geavanceerde technieken zoals metabolomics, waardoor we metabolieten en andere biochemicaliën op brede schaal kunnen analyseren."

De belangrijkste spelers in dit evolutionaire proces - en een belangrijk aandachtspunt van het onderzoek in het laboratorium van Weng - zijn enzymen. traditioneel, deze natuurlijk voorkomende katalysatoren werden gezien als minimachines, het juiste uitgangsmateriaal (of substraat) nemen en feilloos omzetten naar het juiste product. Maar Weng en andere wetenschappers erkennen nu dat ze fouten maken, vaak door zich vast te klampen aan een onbedoeld substraat. "Dit begrip, bekend als enzympromiscuïteit, heeft verschillende gevolgen, zowel in de enzymevolutie als meer in het algemeen, bij menselijke ziekten, ' zegt Weng.

Het heeft ook gevolgen voor bio-engineering, als Bastien Christus, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Weng, en zijn collega's onlangs ontdekt.

Christus, vervolgens een afgestudeerde student in het laboratorium van Stefan Hörtensteiner aan de Universiteit van Zürich in Zwitserland, bestudeerde een bepaalde stam van de bloeiende plant Arabidopsis thaliana als onderdeel van een apart project, en hij maakte een raadselachtige observatie:twee biochemische verbindingen werden in ongewoon hoge concentraties in hun bladeren gevonden.

Vreemd, deze verbindingen (acetyl-aminoadipaat en acetyl-tryptofaan genoemd) waren niet aanwezig in een van de normale, zogenaamde "wildtype" planten. Terwijl hij en zijn collega's naar een verklaring zochten, ze vernauwden zich tot de bron:een enzym, genaamd BAR, dat als een soort chemisch baken in de planten is ingebouwd, waardoor wetenschappers ze gemakkelijker kunnen bestuderen.

Maar BAR is meer dan alleen een hulpmiddel voor wetenschappers. Het is ook een van de meest gebruikte eigenschappen in genetisch gemodificeerde gewassen, zoals sojabonen, maïs, en katoen, waardoor ze bestand zijn tegen een veelgebruikt herbicide (bekend als fosfinothricine of glufosinaat).

Al decenia, wetenschappers weten dat BAR, oorspronkelijk geïsoleerd uit bacteriën, kan het herbicide inactief maken door zich aan een korte reeks chemicaliën te hechten, gemaakt van twee koolstoffen en één zuurstof (ook wel een acetylgroep genoemd). Zoals de onderzoekers beschrijven in hun Nature Plants-paper, het heeft een promiscue kant, en kan werken op andere ondergronden, te, zoals de aminozuren tryptofaan en aminoadipaat (een lysinederivaat).

Dat verklaart waarom ze de onbedoelde producten (acetyl-tryptofaan en acetyl-aminoadipaat) kunnen detecteren in gewassen die genetisch gemanipuleerd zijn om BAR te dragen, zoals sojabonen en canola.

Hun onderzoek omvatte gedetailleerde studies van het BAR-eiwit, inclusief kristalstructuren van het eiwit gebonden aan zijn substraten. Dit gaf hen een blauwdruk voor het strategisch aanpassen van BAR om het minder promiscue te maken, en geef alleen de voorkeur aan het herbicide als substraat en niet aan de aminozuren. Christ en zijn collega's hebben verschillende versies gemaakt die de niet-specifieke activiteit van het oorspronkelijke BAR-eiwit missen.

"Dit zijn natuurlijke katalysatoren, dus als we ze lenen van een organisme en ze in een ander plaatsen, ze zijn misschien niet per se perfect voor onze doeleinden, "zegt Christus. "Het verzamelen van dit soort fundamentele kennis over hoe enzymen werken en hoe hun structuur de functie beïnvloedt, kan ons leren hoe we de beste hulpmiddelen voor bio-engineering kunnen selecteren."

Er zijn andere belangrijke lessen, te. Toen de BAR-eigenschap voor het eerst werd geëvalueerd door de Amerikaanse FDA, in 1995, voor gebruik in koolzaad, en in de daaropvolgende jaren voor andere gewassen - metabolomics was grotendeels onbestaande als technologie voor biomedisch onderzoek. Daarom, het kon niet worden toegepast op de karakterisering van genetisch gemanipuleerde planten en voedingsmiddelen, als onderdeel van hun herziening van de regelgeving. Hoe dan ook, acetyl-aminoadipaat en acetyl-tryptofaan, die normaal bij mensen voorkomen, zijn beoordeeld door de FDA en zijn veilig voor menselijke en dierlijke consumptie.

Weng en zijn collega's zijn van mening dat hun studie sterk pleit voor het overwegen van metabolomics-analyses als onderdeel van het beoordelingsproces voor toekomstige genetisch gemanipuleerde gewassen. "Dit is een waarschuwend verhaal, ' zegt Weng.