大规模的方法揭示了植物生物技术中不完美的行为者

怀特黑德生物医学研究所领导的一个研究小组利用代谢组学技术揭开了一种能够使植物抵抗常见除草剂的关键蛋白质的分子活动。他们的研究结果揭示了蛋白质 - 一种催化剂或酶,在1990年代首次被细菌分离并引入植物,包括玉米和大豆等作物 - 有时可能行为不精确,以及它如何成功地重新生成设计得更精确。这项新研究出现在“ 自然植物 ”杂志的网上,提出了21世纪生物工程的标准。

“我们的工作强调了生物工程的一个重要方面,我们现在正在技术上能够解决这个问题,”怀特黑德研究所的成员,麻省理工学院生物学助理教授,资深作者Jing-Ke Weng说。“我们知道酶可以不分青红皂白地行动。现在,我们拥有检测其分子副作用的科学能力,我们可以利用这些见解来设计具有更高特异性的更智能的酶。”

植物为科学家研究新陈代谢如何随时间变化提供了一个非凡的模型。因为当供应不足时,它们无法摆脱掠食者或寻找新的食物来源,植物必须经常使用现有的内部生物化学方法来应对各种环境侮辱。

“尽管它们似乎是静止的,但植物的代谢系统却在快速发展,”翁解释道。“现在,由于代谢组学等尖端技术,我们可以对这些变化获得前所未有的观点,使我们能够大规模地分析代谢物和其他生物化学物质。”

这个进化过程中的关键参与者 - 以及Weng实验室的主要研究重点 - 是酶。传统上,这些天然存在的催化剂被视为微型机器,采用适当的起始材料(或基材)并完美地将其转化为正确的产品。但翁和其他科学家现在认识到他们犯了错误 - 通常是通过锁定到一个非预期的基板上。“这种被称为酶滥交的概念,在酶的进化和更广泛的人类疾病中都有各种各样的含义,”翁说。

它对生物工程也有影响,正如翁氏实验室的博士后研究员巴斯蒂安·基督和他的同事最近发现的那样。

基督,当时是瑞士苏黎世大学StefanHörtensteiner实验室的一名研究生,正在研究一种特殊的开花植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)作为一个单独项目的一部分,他做了一个令人费解的观察结果:两个生化化合物异常地被发现他们的叶子水平很高。

奇怪的是,这些化合物(称为乙酰氨基己二酸和乙酰色氨酸)不存在于任何正常的,所谓的“野生型”植物中。当他和他的同事寻找解释时,他们缩小了来源:一种名为BAR的酶,它被植入植物中作为一种化学信标,使科学家们能够更容易地研究它们。

但BAR不仅仅是科学家的工具。它也是转基因作物中最常使用的特性之一,如大豆,玉米和棉花,使它们能够承受广泛使用的除草剂(称为草丁膦或草铵膦)。

数十年来,科学家们已经知道,最初从细菌中分离出来的BAR可以通过固定一系列由两个碳和一个氧(也称为乙酰基)组成的化学物质使除草剂失活。正如研究人员在他们的自然植物论文中描述的那样,它具有混杂的一面,并且可以在其他基质上起作用,例如氨基酸色氨酸和氨基己二酸(赖氨酸衍生物)。

这就解释了为什么他们可以检测转基因工程的作物中的非预期产品(乙酰色氨酸和乙酰氨基己二酸),如大豆和油菜。

他们的研究包括对BAR蛋白的详细研究,包括与其底物结合的蛋白质的晶体结构。这为他们提供了如何战略性地修改BAR以使其不那么混杂的蓝图,并且仅将除草剂作为底物而不是氨基酸。基督和他的同事创造了几个缺乏原始BAR蛋白非特异性活性的版本。

“这些都是天然的催化剂,所以当我们从生物体中借用它们并将它们放入另一个生物体时,它们可能不一定非常适合我们的目的,”基督说。“收集关于酶如何工作以及它们的结构如何影响功能的这种基本知识可以教会我们如何选择最佳的生物工程工具。”

还有其他重要的经验教训。当美国食品药品管理局首次评估BAR特性时 - 在1995年,用于油菜籽,以及随后几年用于其他作物 - 代谢组学作为生物医学研究技术基本上不存在。因此,作为其监管审查的一部分,它不能用于转基因植物和食品的表征。然而,通常存在于人体内的乙酰氨基己二酸和乙酰色氨酸已经由FDA审查并且对于人和动物消费是安全的。

翁和他的同事认为,他们的研究为将代谢组学分析作为未来转基因作物审查过程的一部分提供了有力的理由。“这是一个值得警惕的故事,”翁说。