Wetenschappers van een internationale groep onder leiding van de RIKEN Cluster for Pioneering Research in Japan hebben een eenvoudige manier ontwikkeld om het niveau van ethyleen, een belangrijk hormoon, bij planten. Ethyleen is betrokken bij veel processen in planten, zoals het rijpen van fruit en het vallen van bladeren in de herfst. De detectie werd gedaan door een kunstmatig metallo-enzym, wat betekent een eiwit - in dit geval albumine - dat een metaal omsluit dat als katalysator werkt.

Metallo-enzymen komen veel voor in de natuur, functioneren op plaatsen zoals het bloed, waar ijzeratomen in hemoglobine helpen om zuurstof te transporteren, of in chloroplasten van planten, waar mangaanatomen het proces van fotosynthese helpen. De eiwitten zorgen ervoor dat de metaalkatalysatoren door het lichaam naar de weefsels kunnen gaan waar ze nodig zijn zonder te worden "geblust" door antioxidanten zoals glutathion. Chemisch "ontwerp" stelt menselijke wetenschappers nu in staat kunstmatige metallo-enzymen te ontwerpen, gemodelleerd naar natuurlijke moleculen, maar die functies vervullen die niet in de natuur voorkomen.

Voor het huidige onderzoek gepubliceerd in Natuurcommunicatie , co-lead auteurs Kenward Vong en Shohei Eda van de RIKEN CPR besloten hun werk te concentreren op een biosensor om ethyleengas te detecteren. Ethyleengas is een van de drie belangrijkste hormonen die planten gebruiken. Het is bekend dat het zowel betrokken is bij de ontwikkeling van planten, zoals fruitrijping, bladeren verliezen voor de winter, en nieuwe bladeren laten groeien, en als reactie op spanningen zoals predatie en droogte. Om deze reden, ethyleen wordt vaak toegepast op fruitplanten om de vruchten te laten rijpen.

Ze ontwierpen een molecuul met daarin een albuminestel dat een rutheniumkatalysator bevat. zodanig ontworpen dat het fluorescerend zou worden in aanwezigheid van ethyleen. Ze testten het metallo-enzym op verschillende groenten en fruit, en ze ontdekten dat het de aanwezigheid van ethyleen in fruit kon detecteren terwijl ze rijpten. In tegenstelling tot eerdere biosensoren van ethyleen, echter, het was in staat om de verdeling van het ethyleen over het fruit te laten zien, het verstrekken van een gedetailleerde ruimtelijke en temporele kaart van hoe het ethyleen zich verspreidde. De groep gebruikte vervolgens een experimenteel plantmodel, Arabidopsis thaliana, om de afgifte van ethyleen te onderzoeken als reactie op stress zoals pathogenen, en ze ontdekten dat de bioassay de aanwezigheid van het ethyleen nauwkeurig kon detecteren.

Volgens Katsunori Tanaka, de leider van de onderzoeksgroep, "Ons werk heeft twee belangrijke implicaties:de ene is op het gebied van kunstmatige metallo-enzymen, waar we een principe van de natuur hebben kunnen gebruiken om iets te produceren dat niet in de natuur bestaat. En ten tweede, ons werk zal bijdragen tot een beter begrip van hoe ethyleen wordt geproduceerd in planten, omdat we de concentratie van ethyleen kunnen meten wanneer het zich nog in cellen bevindt."

De groep is van plan door te gaan met het verbeteren van het systeem, bijvoorbeeld door zijn reactiviteit sneller te maken, zodat het ethyleen kan meten voordat het overgaat naar gas, en om zijn vermogen om cellen binnen te gaan te verbeteren in plaats van in de extracellulaire omgeving te blijven.