Растительные масла являются важнейшим сырьем для биотоплива и биопродуктов, обеспечивая поступление энергоемких углеводородных молекул. Некоторые растения в процессе эволюции выработали различные наборы ферментов для производства высокоценных необычных жирных кислот с новой длиной цепи или функциональными группами. В передовом биотехнологическом исследовании ученые открыли ранее неизвестный природный механизм создания редких жирных кислот в семенах дикорастущего растения.
Orychophragmus limprichtianus (Орихофрагмус Лимприхта) — это редкое травянистое цветковое растение из семейства Капустные (Brassicaceae). Оно является близким родственником всем известной горчицы, рапса и популярного декоративного растения Orychophragmus violaceus (китайская фиалковая сурепица. Его семена богаты растительным маслом, которое эволюционно приобрело уникальные свойства.
Как выяснили ученые в новом исследовании, около 25% состава этого масла — редчайшие кето-гидрокси жирные кислоты с очень длинной цепью (C24–C28). В обычных растениях они практически не встречаются. Из-за своей необычной структуры (кислоты прерывают свой синтез на середине, оставляя кислородно-водородные ветви) это масло обладает феноменальной термической стабильностью и смазывающими свойствами.
Это исследование ученых из Центра передовых инноваций в области биоэнергетики и биопродуктов (CABBI) — крупного исследовательского центра в США, финансируемого Министерством энергетики (DOE), направлено на изучение и использование необычного пути биосинтеза жирных кислот в семенах Orychophragmus limprichtianus для расширения инструментария синтетической биологии при создании биопродуктов на основе растений и микроорганизмов. К проекту также привлекаются специалисты по синтетической биологии, биохимии и искусственному интеллекту.
Для раскрытия механизмов этого редкого биосинтеза ученые из CABBI применили комплексный подход, объединив аналитическую химию, структурную биологию на базе ИИ и методы генетической инженерии.
Чтобы выполнить анализ липидов, использовалась комбинация трех методов:
Тонкослойная хроматография (ТСХ / TLC). Первичное быстрое разделение классов липидов в экстракте.Газовая хроматография-масс-спектрометрия (ГХ-МС / GC-MS). Определение точного состава и структуры летучих производных жирных кислот.Жидкостная хроматография-масс-спектрометрия (ЖХ-МС / LC-MS). Детальный анализ сложных интактных липидов (таких как триацилглицерины) без их предварительного разрушения.С помощью ИИ-моделирования (например, инструмента AlphaFold) ученые смогли заглянуть внутрь структуры ферментов на атомном уровне. Это помогло понять, как именно мутации в ключевых ферментах — элонгазе FAE1 и кеторедуктазе KCR1 — меняют их работу. Выяснилось, что ферменты осуществляют прерывистое удлинение цепи, напоминая механизм работы бактериальных поликетидсинтаз (PKS). Растение нарушило «классические» правила биологии, переняв прерывистый способ синтеза, похожий на бактериальный. Понимание этого процесса раздвигает границы генной инженерии растений.
Чтобы доказать правильность своей гипотезы, авторы исследования перенесли гены OlFAE1 и OlKCR1 в генетически модифицированное масличное растение-хозяин (трансгенный модельный организм).
Проще говоря, ученые взяли гены из того самого дикого растения Orychophragmus limprichtianus. Они взяли два конкретных гена, которые назвали OlFAE1 и OlKCR1 (приставка «Ol» — это просто сокращение от названия цветка). Эти гены работают как два рабочих на фабрике, которые вместе собирают необычные жирные кислоты. Гены перенесли в лабораторный модельный организм. Чаще всего в таких исследованиях масличных культур используют Резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana) — это близкий родственник капусты и рапса. Ученые называют его «растением-хозяином», потому что оно принимает в свой организм чужие гены.
Успешный синтез целевых кето-гидрокси жирных кислот в семенах нового хозяина подтвердил, что именно эти два фермента полностью отвечают за уникальный биосинтетический путь.
Открытие дает возможность расширить инструментарий синтетической биологии. Скопировав этот генетический путь, можно заставить другие привычные сельскохозяйственные культуры (например, рапс или сою) или микроорганизмы вырабатывать ценные промышленные масла.
Пояснение по ферментам и генам
Условно, гены — это «чертежи», а ферменты — «роботы», собранные по этим чертежам. Ученые переносили гены, чтобы заставить растение-хозяин само производить нужные ферменты. Вот как это устроено.
Схема «Ген Фермент»
Ген (OlFAE1 и OlKCR1). Это участки ДНК, то есть записанная в клетке текстовая инструкция. Сам по себе ген ничего не синтезирует. Он просто хранит информацию.Фермент (FAE1 и KCR1). Это сложные белки, которые клетка строит, прочитав инструкцию из гена. Именно эти белки (ферменты) являются химическими рабочими. Они берут обычные жирные кислоты и превращают их в уникальное масло.В диком растении ученые увидели работающие ферменты FAE1 и KCR1. Они нашли в ДНК этого растения гены, в которых записан рецепт этих ферментов. Ученые скопировали эти гены и внедрили их в ДНК нового растения-хозяина. Новое растение прочитало внедренные гены и по этой инструкции само внутри своих клеток собрало ферменты. Эти новые ферменты заработали и создали редкое масло.