Forskare som studerar växtbiokemi vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har upptäckt nya detaljer om biomolekyler som bromsar oljeproduktionen. Resultaten tyder på att inaktivering av dessa biomolekylära bromsar kan driva oljeproduktionen i hög växel - en möjlig väg mot att generera rikligt med biobränslen och växtbaserade bioprodukter. Studien publiceras i tidskriften Växtfysiologi .

"Det är normalt för växtceller att nedreglera oljeproduktionen när vi matar dem med överskott av fettsyror, och den här studien bekräftar vår hypotes om hur de gör det. Men vi upptäckte också att bromsarna för oljeproduktion är delvis påsatta även under normala förhållanden, vilket var en stor överraskning, " sa Brookhaven Lab biokemist John Shanklin, som ledde forskningen.

"Det skulle vara som att köra bil i flera år och en dag få reda på att en parkeringsbroms som du inte kände till hade varit på hela tiden. När du tar bort den bromsen, bilen har mycket mer kraft; det är vad vi just har upptäckt för produktion av växtolja, " han sa.

En delikat balans

Den centrala biomolekylen i denna studie är enzymet som bestämmer hastigheten på oljeproduktionen. Det där enzymet, känd som ACCase, är ett protein som består av fyra underenheter, som alla är nödvändiga för att enzymet ska fungera. Med alla fyra underenheterna på plats, enzymet driver det första steget i syntesen av fettsyror, nyckelkomponenter i oljor.

Tidigare arbete av Shanklins grupp 2012 avslöjade att när växtceller matades med ett kortvarigt överskott av fettsyror (varar mindre än två dagar), en återkopplingsslinga hämmade detta enzym, så oljeproduktionen skulle sakta ner. Så länge som fettsyrakoncentrationen sjönk inom två dagar, enzym- och oljeproduktionen skulle slå igång igen. Men ett långsiktigt överskott av fettsyror skulle permanent inaktivera enzymet. Just då, forskare kände till flera sätt att hämma enzymet, men inget av dessa sätt kunde förklara den oåterkalleliga hämning de observerade.

När kollegor vid University of Missouri upptäckte en inaktiv version av en av de fyra enzymsubenheterna 2016, Shanklin misstänkte att denna inaktiva subenhet kan vara orsaken till den permanenta avstängningen – genom att ersätta en av de aktiva subenheterna i enzymet. Han designade denna nya studie för att testa den hypotesen.

Teammedlemmen Hui Liu skaffade växter där generna som kodar för de inaktiva underenheterna var individuellt inaktiverade. Hon använde dessa varianter för att föda upp växter som hade kombinationer av funktionshindrade underenheter. Om Shanklins idé var korrekt, celler med funktionshindrade inaktiva subenheter skulle ha en lägre kapacitet att stänga av enzymet.

"Vi misstänkte att avaktivering av generna skulle stänga av strömbrytaren för oljeproduktion, låter växtcellerna göra mer olja, " förklarade Shanklin.

När teammedlemmen Jan Keereetaweep testade denna idé genom att mata växtcellerna med överflödiga fettsyror, det var precis vad som hände:Celler med kombinationer av de funktionshindrade generna stängde inte av oljeproduktionen på det sätt som celler med normala gener gjorde.

"Det var 50 procent mindre hämning av oljeproduktion i cellerna med funktionshindrade gener jämfört med vildtypsväxtcellerna, "Sade Shanklin. Det resultatet bekräftade att den inaktiva subenheten som kodas för av de normala generna i vildtypsväxterna verkligen var det som utlöste permanent avstängning av enzymet.

Men den stora överraskningen kom när Keereetaweep mätte fettsyrasyntesen i växtcellerna med funktionshindrade inaktiva subenheter utan att artificiellt mata dem med överskott av fettsyror och jämförde resultaten med resultaten för vildtypsväxtceller under samma förhållanden. Under dessa normala förhållanden, där du inte skulle förvänta dig att se oljeproduktionen hämmad, enzymet som driver oljeproduktionen var betydligt mer aktivt i växtceller med funktionshindrade gener än i normala växtceller.

"Det betyder att, även under normala förhållanden, inaktiva underenheter bromsar ACCase, minska sin verksamhet och begränsa oljeproduktionen, "Sade Shanklin. "Att inaktivera generna för de inaktiva underenheterna är som att ta bort bromsarna från bilen, avslöjar motorns verkliga potential."

"Detta projekt var ett utmärkt samarbete mellan Keereetaweep, Liu, och Zhiyang Zhai för att svara på några grundläggande vetenskapliga frågor om växtmetabolism, Shanklin noterade. "Nu, den kunskap de genererat kan potentiellt stödja strategier för att öka oljeackumuleringen i växtarter som odlas för tillämpningar som biobränslen eller bioprodukter."