Wetenschappers die plantenbiochemie bestuderen aan het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, hebben nieuwe details ontdekt over biomoleculen die de olieproductie afremmen. De bevindingen suggereren dat het uitschakelen van deze biomoleculaire remmen de olieproductie in een hogere versnelling zou kunnen brengen - een mogelijke weg naar het genereren van overvloedige biobrandstoffen en plantaardige bioproducten. De studie verschijnt in het tijdschrift Plantenfysiologie .

"Het is normaal dat plantencellen de olieproductie verlagen als we ze overtollige vetzuren geven. en deze studie bevestigt onze hypothese over hoe ze dat doen. Maar we ontdekten ook dat de remmen op de olieproductie gedeeltelijk zijn ingeschakeld, zelfs onder normale omstandigheden, wat een grote verrassing was, " zei Brookhaven Lab biochemicus John Shanklin, die het onderzoek leidde.

"Het zou zijn alsof je een aantal jaren in een auto rijdt en op een dag ontdekt dat een parkeerrem waarvan je niet wist dat die er al die tijd aan zat. Als je die rem verwijdert, de auto heeft veel meer vermogen; dat is wat we zojuist hebben ontdekt voor de productie van plantaardige olie, " hij zei.

Een delicaat evenwicht

Het biomolecuul dat centraal staat in deze studie is het enzym dat de snelheid van de olieproductie bepaalt. Dat enzym, bekend als ACCase, is een eiwit dat bestaat uit vier subeenheden, die allemaal nodig zijn om het enzym te laten functioneren. Met alle vier de subeenheden op hun plaats, het enzym drijft de eerste stap in de synthese van vetzuren, belangrijkste componenten van oliën.

Eerder werk van de Shanklin-groep in 2012 onthulde dat wanneer plantencellen een kortdurende overmaat aan vetzuren kregen (die minder dan twee dagen duurde), een feedbackloop remde dit enzym, zodat de olieproductie zou vertragen. Zolang de vetzuurconcentraties binnen twee dagen daalden, het enzym en de olieproductie zouden weer aanslaan. Maar een langdurig overschot aan vetzuren zou het enzym permanent uitschakelen. Destijds, wetenschappers wisten verschillende manieren waarop het enzym kon worden geremd, maar geen van die manieren kon de onomkeerbare remming die ze waarnamen verklaren.

Toen collega's van de Universiteit van Missouri in 2016 een inactieve versie van een van de vier enzymsubeenheden ontdekten, Shanklin vermoedde dat deze inactieve subeenheid de oorzaak zou kunnen zijn van de permanente stopzetting - door de plaats in te nemen van een van de actieve subeenheden in het enzym. Hij ontwierp deze nieuwe studie om die hypothese te testen.

Teamlid Hui Liu verkreeg planten waarin de genen die coderen voor de inactieve subeenheden afzonderlijk waren uitgeschakeld. Ze gebruikte die varianten om planten te kweken met combinaties van uitgeschakelde subeenheden. Als Shanklins idee juist was, cellen met uitgeschakelde inactieve subeenheden zouden een lager vermogen hebben om het enzym uit te schakelen.

"We vermoedden dat het uitschakelen van de genen de uit-schakelaar voor olieproductie zou uitschakelen, waardoor de plantencellen meer olie kunnen maken, ' legde Shanklin uit.

Toen teamlid Jan Keereetaweep dit idee testte door de plantencellen overtollige vetzuren te geven, dat is precies wat er gebeurde:cellen met combinaties van de uitgeschakelde genen schakelden de olieproductie niet uit zoals cellen met de normale genen dat deden.

"Er was 50 procent minder remming van de olieproductie in de cellen met gehandicapte genen in vergelijking met de wildtype plantencellen, "Zei Shanklin. Dat resultaat bevestigde dat de inactieve subeenheid die wordt gecodeerd door de normale genen in de wildtype planten inderdaad de permanente stopzetting van het enzym veroorzaakte.

Maar de grote verrassing kwam toen Keereetaweep de vetzuursynthese in de plantencellen met uitgeschakelde inactieve subeenheden meet zonder ze kunstmatig overtollige vetzuren te geven en de resultaten vergeleek met die voor wildtype plantencellen onder dezelfde omstandigheden. Onder die normale omstandigheden, waar je niet zou verwachten dat de olieproductie zou worden geremd, het enzym dat de olieproductie aandrijft, was significant actiever in plantencellen met de gehandicapte genen dan in normale plantencellen.

"Dat betekent dat, zelfs onder normale omstandigheden, inactieve subeenheden remmen ACCase, het verminderen van zijn activiteit en het beperken van de olieproductie, "Zei Shanklin. "Het uitschakelen van de genen voor die inactieve subeenheden is als het remmen van de auto, het onthullen van het ware potentieel van de motor."

"Dit project was een uitstekende samenwerking tussen Keereetaweep, Liu, en Zhiyang Zhai om enkele fundamentele wetenschappelijke vragen over het plantenmetabolisme te beantwoorden, " merkte Shanklin op. "Nu, de kennis die ze hebben gegenereerd, kan mogelijk de basis vormen voor strategieën om de accumulatie van olie te vergroten in plantensoorten die worden gekweekt voor toepassingen zoals biobrandstoffen of bioproducten."