Milieustudies hebben aangetoond dat jaarlijks 40% van de atmosferische koolstofdioxide (CO2) door de huidmondjes van planten gaat. Dus, het beheersen van de ontwikkeling en functie van huidmondjes wordt beschouwd als een sleutel voor het verhogen van de productiviteit van gewassen en de efficiëntie van het watergebruik. Huidmondjes zijn poriën in plantenbladeren die verantwoordelijk zijn voor gasuitwisseling met de omgeving. Aangezien is gemeld dat licht en atmosferische CO2-niveaus het aantal huidmondjes beïnvloeden, synthetisch chemici en plantenbiologen aan het Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM) in Nagoya University, hebben besloten dit onderwerp te onderzoeken met een chemische benadering en zijn erin geslaagd kleine moleculen te ontwikkelen om het aantal huidmondjes in plantenbladeren te vergroten. Het resultaat van deze studie werd gerapporteerd in het tijdschrift, Chemische communicatie .

Met behulp van een model bloeiende plant, Arabidopsis thaliana, De onderzoeksgroep van ITbM voerde een chemische screening uit van geselecteerde kleine moleculen die waren ontdekt uit de chemische bibliotheek van ITbM en identificeerde twee moleculen (CL1 en CL2) met een vergelijkbare structuur als het niet-steroïde anti-inflammatoire geneesmiddel, celecoxib. Hoewel CL1 en CL2 het aantal huidmondjes in plantenbladeren verhoogden, ze waren giftig voor de planten bij gebruik in hoge concentraties.

Aangemoedigd door de plant huidmondjes versterkend effect van CL1 en CL2, het team ontwierp de structuur van de moleculen om nieuwe verbindingen te ontwikkelen die het aantal huidmondjes kunnen vergroten, terwijl de toxiciteit bij blootstelling van de plant aan de verbindingen in hoge concentraties wordt geminimaliseerd. Het team synthetiseerde en testte kleine moleculen zonder de trifluormethylgroep (CF3) op de C3-positie (ZA155) of de arylgroep op de C5-positie (ZA099) op de pyrazool (een 5-ledige heterocyclus bestaande uit drie koolstofatomen en twee aangrenzende stikstofatomen) ring. Als resultaat, het team ontdekte dat hoewel beide verbindingen leidden tot een toename van het stomatale aantal, ZA155 leidde tot groeiremming van de plant, terwijl ZA099 dat niet deed.

"Ik ben met dit onderzoek begonnen toen ik in 2015 bij ITbM kwam, " zegt Dr. Asraa Ziadi, een postdoctoraal onderzoeker bij ITbM die vooral de moleculen synthetiseerde. "Met mijn achtergrond in de organometaalchemie, Ik wilde iets anders doen, maar toch mijn expertise gebruiken."

Het synthetische chemieteam werd geleid door professor Kenichiro Itami, de centrumdirecteur van ITbM, en ze ontwikkelden een snelle door palladium gekatalyseerde C-H-aryleringsmethodologie die de directe synthese van een reeks arylpyrazoolderivaten van ZA099 en hun overeenkomstige arylbromiden mogelijk zou maken, in de hoop het aantal huidmondjes te vergroten en tegelijkertijd groeiremming te voorkomen. Door hun nieuwe synthetische methode te gebruiken, ze waren in staat om het waterstof (H) -atoom verbonden met het koolstof (C) -atoom op de pyrazoolring direct te vervangen door verschillende aromatische ringen (C-H-functionalisatie) om structuur-activiteitsrelatiestudies uit te voeren.

Bij het onderzoeken van het effect van de gesynthetiseerde kleine moleculen op de stomatale aantallen van planten, er werd waargenomen dat een chloorhoudende verbinding (ZA139) een hoge stomatale dichtheid op bladeren genereerde, maar was uiterst giftig voor de plant, wat leidt tot een abnormale stomatale vorm. Aangezien het methoxy-bevattende ZA143 leidde tot een kleine toename van het aantal stomatale en niet ernstig toxisch was voor de plant, de groep dacht dat de sulfonamide-analoog ZA160 misschien beter zou presteren. de verbinding, echter, verhoogde het aantal huidmondjes op plantenbladeren niet en leidde tot groeiremming.

Volgende, het team richtte zijn aandacht op het synthetiseren en testen van verschillende anisool (methoxybenzeen) gesubstitueerde verbindingen die het aantal huidmondjes konden verhogen zonder de plantengroei te remmen. Inderdaad, ze waren in staat om ortho-anisyl gesubstitueerd ZA144 te identificeren, die de methoxygroep in de ortho-positie heeft, als het meest effectieve molecuul bij het verhogen van het aantal huidmondjes zonder ernstige toxiciteit.

"Het beste moment van dit onderzoek was het opzetten van het biologische experiment en het onder de microscoop zien toenemen van het aantal huidmondjes op de plantenbladeren, " beschrijft Ziadi. "Ik herinner me dat ik dacht "mijn moleculen deden dat!"; dit was een geweldig gevoel."

Biologische experimenten op planten werden uitgevoerd door een groep plantenbiologen, onder leiding van professor Keiko Torii, een hoofdonderzoeker bij ITbM die ook een functie bekleedt aan de Universiteit van Washington. Ziadi heeft nauw samengewerkt met plantenbioloog Naoyuki Uchida, die universitair hoofddocent is in de groep van professor Torii, en spreekt over de uitdagingen van het doen van biologisch onderzoek als chemicus.

"Voor mij, het was het begrijpen van de biologie achter de ontdekking, ", zegt Ziadi. "Als synthetisch chemicus, je rol eindigt meestal wanneer het molecuul is gesynthetiseerd. Maar bij ITbM, je krijgt te zien wat de moleculen kunnen doen. Dat is echt interessant! Ik was erg geïntrigeerd door het idee om moleculen te synthetiseren die zulke visuele en duidelijke veranderingen in planten kunnen geven."

"Ik was altijd verbaasd dat elke keer dat ik Asraa vertelde over de effecten van de moleculen die ze synthetiseerde op het aantal huidmondjes en plantengroei, ze begon op dezelfde dag meer moleculen te synthetiseren met betere effecten, ", beschrijft Uchida. "Deze verbazingwekkend snelle samenwerking tussen biologen en chemici was alleen mogelijk in een onderzoeksomgeving zoals ons instituut, waar biologen en chemici naast elkaar samenwerken. We genieten zo van deze samenwerking."

De sleutel tot het succes van de groep bij het identificeren van een klein molecuul dat het aantal huidmondjes van planten kan vergroten, was de ontwikkeling van een C-H-functionaliseringsreactie door synthetische chemici die een snelle derivatisering van aromatische ringen mogelijk maakt. Dit versnelde plantbiologisch onderzoek om toegang te krijgen tot een reeks bioactieve moleculen, die de gewenste stomatale ontwikkeling induceert zonder de plantengroei te remmen.

Verder onderzoek met hun bioactieve pyrazoolverbindingen kan leiden tot opheldering van het mechanisme achter door pyrazool gemedieerde stomatale differentiatie. Dit kan leiden tot mogelijke identificatie en synthese van verbindingen die de biomassa kunnen verhogen door stomatale controle.

"Ik heb geleerd dat samenwerking tussen biologen en chemici heel krachtig is, " zegt Ziadi. "Je kunt zoveel dingen leren en het project vanuit verschillende aspecten bespreken. In mijn geval, om het project beter te begrijpen, Ik begon mezelf te onderwijzen over huidmondjes en de verschillende mechanismen die betrokken kunnen zijn bij huidmondjesontwikkeling. Het was moeilijk, maar gelukkig, Ik zit in een instituut waar ik omringd wordt door excellente onderzoekers uit verschillende disciplines."