Ett forskargrupp som leds av Whitehead Institute for Biomedical Research har utnyttjat metabolomisk teknik för att upptäcka molekylära aktiviteter av ett nyckelprotein som kan göra det möjligt för växter att motstå en vanlig herbicid. Deras fynd avslöjar hur proteinet - ett slags katalysator eller enzym, först isolerade i bakterier och introducerades i växter, inklusive grödor som majs och sojabönor, på 1990 -talet - kan ibland agera oprecist, och hur det framgångsrikt kan omarbetas för att vara mer exakt. Den nya studien, som visas online i tidningen Naturväxter , höjer normerna för bioingenjör under 2000 -talet.

"Vårt arbete understryker en kritisk aspekt av bioingenjör som vi nu blir tekniskt kapabla att ta itu med, "säger seniorförfattaren Jing-Ke Weng, medlem av Whitehead Institute och biträdande professor i biologi vid Massachusetts Institute of Technology. "Vi vet att enzymer kan bete sig urskillningslöst. Nu, vi har den vetenskapliga förmågan att upptäcka deras molekylära biverkningar, och vi kan utnyttja dessa insikter för att designa smartare enzymer med förbättrad specificitet. "

Växter ger en extraordinär modell för forskare att studera hur ämnesomsättningen förändras över tid. Eftersom de inte kan fly från rovdjur eller söka efter nya livsmedelskällor när tillgångarna tar slut, växter måste ofta kämpa med en rad miljöförolämpningar med hjälp av det som är lättillgängligt - sin egen interna biokemi.

"Även om de verkar vara stationära, växter har snabbt utvecklande metaboliska system, "Weng förklarar." Nu, vi kan få en oöverträffad uppfattning om dessa förändringar på grund av banbrytande tekniker som metabolomik, så att vi kan analysera metaboliter och andra biokemikalier i stor skala. "

Nyckelspelare i denna evolutionära process - och ett stort fokus för forskning i Wengs laboratorium - är enzymer. Traditionellt, dessa naturligt förekommande katalysatorer har betraktats som minimaskiner, ta rätt utgångsmaterial (eller substrat) och omvandla det felfritt till rätt produkt. Men Weng och andra forskare inser nu att de gör misstag - ofta genom att de fastnar på ett oavsiktligt underlag. "Detta koncept, känd som enzympriskuitet, har en mängd olika konsekvenser, både i enzymutveckling och mer allmänt, vid mänsklig sjukdom, "Säger Weng.

Det har också konsekvenser för bioingenjör, som Bastien Kristus, en postdoktor i Wengs laboratorium, och hans kollegor upptäckte nyligen.

Kristus, sedan en doktorand i Stefan Hörtensteiner lab vid universitetet i Zürich i Schweiz, studerade en särskild stam av den blommande växten Arabidopsis thaliana som en del av ett separat projekt, och han gjorde en förbryllande observation:två biokemiska föreningar hittades på ovanligt höga nivåer i deras blad.

Underligt, dessa föreningar (kallad acetyl-aminoadipat och acetyl-tryptofan) fanns inte i någon av de normala, så kallade "vildtyp" växter. När han och hans kollegor letade efter en förklaring, de minskade på källan:ett enzym, kallas BAR, som konstruerades i växterna som ett slags kemisk ledstjärna, gör det möjligt för forskare att lättare studera dem.

Men BAR är mer än bara ett verktyg för forskare. Det är också ett av de vanligaste egenskaperna hos genetiskt modifierade grödor, såsom sojabönor, majs, och bomull, gör att de kan motstå en allmänt använd herbicid (känd som fosfinotricin eller glufosinat).

I årtionden, vetenskapsmän har känt att BAR, ursprungligen isolerad från bakterier, kan göra herbiciden inaktiv genom att klämma på en kort sträng kemikalier, tillverkad av två kol och ett syre (även kallat en acetylgrupp). Som forskarna beskriver i sitt Nature Plants -papper, har en promiskuös sida, och kan arbeta på andra underlag, för, såsom aminosyrorna tryptofan och aminoadipat (ett lysinderivat).

Det förklarar varför de kan upptäcka oavsiktliga produkter (acetyl-tryptofan och acetyl-aminoadipat) i grödor som är genetiskt konstruerade för att bära BAR, såsom sojabönor och raps.

Deras forskning inkluderade detaljerade studier av BAR -proteinet, innefattande kristallstrukturer av proteinet bundet till dess substrat. Detta gav dem en plan för hur man strategiskt modifierar BAR för att göra den mindre promiskuös, och gynnar endast herbiciden som ett substrat och inte aminosyrorna. Kristus och hans kollegor skapade flera versioner som saknar den ospecifika aktiviteten hos det ursprungliga BAR-proteinet.

"Det här är naturliga katalysatorer, så när vi lånar dem från en organism och lägger dem i en annan, de kanske inte nödvändigtvis är perfekta för våra syften, "Kristus säger." Att samla in denna typ av grundläggande kunskap om hur enzymer fungerar och hur deras struktur påverkar funktion kan lära oss hur man väljer de bästa verktygen för bioingenjör. "

Det finns andra viktiga lärdomar, för. När BAR -egenskapen först utvärderades av U.S.FDA - 1995, för användning i raps, och under de följande åren för andra grödor-metabolomik var i stort sett obefintlig som en teknik för biomedicinsk forskning. Därför, det kunde inte tillämpas på karakterisering av genetiskt modifierade växter och livsmedel, som en del av deras granskning. Ändå, acetyl-aminoadipat och acetyl-tryptofan, som normalt finns hos människor, har granskats av FDA och är säkra för konsumtion av människor och djur.

Weng och hans kollegor tror att deras studie är ett starkt argument för att överväga metabolomiska analyser som en del av granskningsprocessen för framtida genetiskt modifierade grödor. "Detta är en varningssaga, "Säger Weng.