Генна інженерія дозволить виробляти машинне мастило з рослин

( 7 Голосів, Всередньому: 2,71 із 5 )
Вівторок, 20 вересень 2011

мастилоВідкрито молекулярний механізм, що лежить в основі синтезу ненасичених жирних кислот у рослинах. У перспективі, модифікуючи структуру рослинних ферментів за допомогою генної інженерії, можна одержувати мастило з рослинної сировини.

Команді біохіміків із Брукхейвенської національної лабораторії (США) і Королівського Каролінського інституту (Швеція), під керівництвом Джона Шанкліна, вдалося розгадати 40-літню загадку, яким чином рослинні ензими відшуковують на молекулярних ланцюгах жирних кислот специфічні ділянки, де одинарний хімічний зв’язок між атомами вуглецю заміняється на подвійний у процесі синтезу ненасичених жирних кислот. Стаття з описом відкриття опублікована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Фізичні та хімічні властивості аліфатичних або жирних кислот, у тому числі жирних кислот рослинного походження, визначаються числом і послідовністю розташування подвійних вуглецевих зв'язків у їхніх молекулярних ланцюжках.

В органічних сполуках валентність вуглецю дорівнює IV, тобто він може утворювати чотири зв'язки. Насичені жирні кислоти є ланцюжками атомів вуглецю, з'єднаних між собою одинарним зв'язком, тобто два зв'язки витрачаються на два сусідніх атоми вуглецю, а два що залишилися займають («насичують») атоми водню. У ненасичених жирних кислот атоми вуглецю утворюють між собою один (мононенасичені жирні кислоти) або більше (поліненасичені) подвійних зв'язків (див. схему).

жирні кислоти

Наявність ділянок із подвійним вуглецевим зв'язком змінює просторову конфігурацію ланцюжка - вона згинається. Маса вигнутих молекулярних ланцюжків пакується менш щільно, тому й динамічні властивості у ненасичених жирних кислот інші - вони можуть бути рідкими вже при кімнатних температурах.

Від числа та конфігурації вигинів, тобто числа та розташування подвійних вуглецевих зв'язків, залежать і властивості цих речовин - в'язкість, температура кипіння, здатність утворювати довгі макроланцюги у процесі полімеризації молекул, швидкість автоокисления і т.д. Таким чином, навчившись контролювати положення подвійних зв'язків, можна одержувати ненасичені жирні кислоти з потрібними характеристиками, що дозволить, наприклад, замінити сучасні мастила, що одержуються з мінеральної сировини, матеріалами рослинного походження.

За синтез ненасичених жирних кислот у клітинах рослин відповідають спеціальні ферменти – десатурази. Різні десатурази синтезують жирні кислоти різних типів, вилучаючи з певного місця молекули жирної кислоти атом водню і «перемикаючи» зв'язок, що звільнився, на сусідній атом вуглецю.

Загальний принцип роботи ензимного конструктора був відкритий вже давно, але яким чином ферменти відшуковують серед одноманітних вуглецево-водневих груп, що утворюють молекули жирних кислот, «потрібні» ділянки, залишалось довгий час незрозумілим.

Загадку «розумних» ензимів сформулював ще 40 років тому біохімік Конрад Блох, що одержав Нобелівську премію саме за дослідження синтезу жирних кислот і холестерину.

Розгадати ж її вдалось за допомогою інструментів, які у той час були недоступними, - рентгенівської кристалографії та комп'ютерного моделювання молекул.

Спочатку Шанклін та його колеги спробували вирішити проблему, проаналізувавши за допомогою рентгенографії молекулярну форму двох десатураз, що проявляють активність на різних ділянках молекулярного ланцюжка жирної кислоти: десатурази дельта-9, що встановлює подвійний зв'язок між 9 і 10 атомами вуглецю в ланцюзі, і десатурази дельта-4, що зв'язує 4 і 5 атоми. Однак формальні відмінності між двома ферментами виявилися занадто незначними і нічого не дали для розуміння їхньої роботи.

Тоді біохіміки спробували змоделювати на комп'ютері процес стикування ензима і зв'язки з молекули жирної кислоти та протеїну, що транспортує цю молекулу до місця «переробки». З'ясувалося, що обидва ензима стикуються зі зв'язками таким чином, що молекула жирної кислоти опиняється оберненою до робочої зони ензима потрібними ділянками вуглецевого ланцюга - 9-10 або 4-5.

Те, що комп'ютерна модель працює коректно, було встановлено при порівнянні комп'ютерної та реальної картини зв’язків протеїну, кислоти та ензима, отриманої за допомогою кристалічної рентгенографії.

Переконавшись, що модель правильно передбачає орієнтацію молекул, залишилося з'ясувати молекулярний механізм орієнтації.

Транспортні протеїни і молекули жирних кислот зв'язуються одноманітно: їх можна порівняти з конвеєром, по якому переміщаються однакові заготівки, з яких фермент, а точніше, робоча зона ферментного білка виготовляє різні деталі. У свою чергу, молекула ферменту являє собою блокову конструкцію з різних амінокислот, з'єднаних у певній послідовності. Порівнюючи дельта-9 і дельта-4 десатурази, вчені встановили, що між тим яким чином стикується зв'язка кислоти і транспортного протеїну (конвеєр-заготівка) з робочою зоною ферменту, і позиціями віддалених від робочої зони амінокислот у молекулі ферменту, є взаємозв'язок.

При заміні цих амінокислот на інші у комп'ютерній моделі орієнтація зв'язки жирної кислоти та транспортного протеїну змінилась, підставивши активній зоні ферменту потрібні ділянки молекули жирної кислоти.

Щоб перевірити, чи працює цей механізм на практиці, вчені змінили аспарагінову кислоту на одному з віддалених від робочої зони ділянок дельта-9 десатурази на лізин, що займає схожу ділянку у молекулі дельта-4 десатурази. І гіпотеза блискуче підтвердилася: змінена у такий спосіб десатураза, що ще нагадує дельта-9 фермент, стала продукувати ненасичену жирну кислоту з подвійним зв'язком між 4 і 5 атомами вуглецю.

Комп'ютерна модель пояснила, чому так відбувається: негативно заряджена аспарагінова кислота відштовхує негативно заряджену ділянку транспортного протеїну, конфігурація стикування змінюється й активній зоні ферменту підставляється ділянка між 9 і 10 атомами вуглецю в молекулі жирної кислоти, «сидячої» на протеїновому візку.

При заміні аспарагінової кислоти на позитивно заряджений лізин змінюється і конфігурація стикування.

Після заміни ще однієї ділянки на позитивно заряджену дельта-9 десатураза майже повністю переключилася на виробництво жирних кислот по типу дельта-4, поставивши крапку у розгадці досі таємничого механізму, що дозволяє ферментам вибирати потрібні ділянки у молекулярних ланцюжках і продукувати ненасичені жирні кислоти.

Тепер генетикам доведеться зрозуміти що саме необхідно підправити в амінокислотній структурі ферментів, щоб одержувати рослинне мастило потрібних властивостей і успішно конкурувати з нафтохіміками.

 

 

За матеріалами: gazeta.ru