Wetenschappers van Purdue University, Natalia Dudareva en Joseph Lynch, hebben gezocht naar een manier om de productie van fenylalanine in een plant te verhogen, een verbinding die belangrijk is voor het overleven van planten en door mensen wordt gebruikt in smaken, geuren, biobrandstoffen, insecticiden en geneesmiddelen. Hun werk leidde vorig jaar tot de ontdekking van een voorheen onbekende stofwisselingsroute waarvan ze dachten dat die zo zou kunnen worden ontwikkeld dat planten meer fenylalanine kunnen produceren dan ze zelf doen.

Een genetische modificatie die de productie van fenylalanine had moeten opvoeren, leidde tot een onverwachte vermindering van de verbinding. deze tegenslag, echter, verlichtte een verborgen verband tussen de biosynthese van fenylalanine en het plantenhormoon auxine, wat niet alleen gevolgen heeft voor het aminozuurmetabolisme, maar ook ons ​​begrip van groei en ontwikkeling.

"Voor vele jaren, we wisten niet hoe fluctuaties via deze routes werden gereguleerd en onderling verbonden met plantenhormonen en andere verbindingen, " zei Dudareva, een vooraanstaande professor in de biochemie en lid van Purdue's Centre for Plant Biology, wiens bevindingen werden gepubliceerd in Natuur Chemische Biologie . "We vonden een overspraak met auxine, wat zou kunnen verklaren waarom planten deze tweede route niet gebruiken en grotere hoeveelheden fenylalanine aanmaken."

Planten gebruiken fenylalanine als bouwstenen voor verbindingen om bestuivers aan te trekken, voor verdediging, reproductie, groei en ontwikkeling. Hoewel voldoende voor die doeleinden, de hoeveelheden zijn klein voor menselijk gebruik.

De productie van fenylalanine vindt voornamelijk plaats in plastiden, de kleine organellen zoals chloroplasten. Maar Dudareva, Lynch, die een Purdue-onderzoeker is, en afgestudeerde student Yichun Qian ontdekte dat planten ook fenylalanine in cytoplasma kunnen produceren en daar mogelijk grotere hoeveelheden kunnen maken.

De wetenschappers groeiden petunia's tot volwassenheid, en induceerde vervolgens de productie van een enzym dat de productie van fenylalanine in het cytosol zou verhogen.

"Het werkte prachtig. We kregen een drievoudige toename van de fenylalaninesynthese, ' zei Lynch.

Daarna integreerden ze een gen in het petunia-genoom dat de productie van hetzelfde enzym zou verhogen, die vergelijkbare resultaten had moeten opleveren. In plaats daarvan, fenylalanineproductie nam licht toe in het cytosol, maar aanzienlijk gedaald in de plastiden. Dat leidde tot een algehele afname van de productie van fenylalanine.

Dat komt omdat zowel fenylalanine als auxine, een plantenhormoon dat nodig is voor plantengroei, kan een verbinding genaamd fenylpyruvaat gebruiken als substraat voor biosynthese. Door meer fenylalanine in het cytosol aan te maken, fenylpyruvaat nam in dat compartiment toe en creëerde meer auxine.

Kleine variaties in plantenhormonen kunnen aanzienlijke ontwikkelingsproblemen veroorzaken. In dit geval, de toename van auxine leidde tot de productie van minder plastiden en een daling van de fenylalanine-output.

"Onze strategie om meer fenylalanine aan te maken zal niet werken. We lopen een beetje op een dood spoor vanwege de onverwachte overspraak met auxine, Lynch zei. "We zullen blijven proberen om fenylalanine te verhogen, maar we zullen via het plastidenpad werken en proberen de knelpunten te overwinnen die de productie daar beperken."

Dudareva zei dat de bevindingen niet alleen laten zien hoe fenylalanine en auxine met elkaar verbonden zijn, maar bieden een suggestie waarom planten überhaupt de minder vaak gebruikte cytosolische route hebben.

Planten produceren waarschijnlijk voldoende fenylalanine via de strak gereguleerde plastidenroute en produceren niet meer om de auxinebalans niet te verstoren. Maar wanneer een plant gewond is en meer fenylalanine nodig heeft voor verdediging of genezing, het cytosolische pad kan in een versnelling komen om te voorzien in wat nodig is.

"Het lijkt erop dat het pad door planten wordt gebruikt als eerste reactie op stress of schade, "Zei Dudareva. "Dit is belangrijk om te weten, omdat het aanvankelijk niet duidelijk was of planten deze route überhaupt gebruikten voor de biosynthese van fenylalanine."