植物タンパク質の発見により、農作物の収量とバイオ燃料の生産が増加する可能性がある

植物タンパク質の発見により、農作物の収量とバイオ燃料の生産が増加する可能性がある

ソーク州とアイオワ州の研究者が、種子油の主要成分である植物脂肪酸に関与するXNUMXつのタンパク質を特定

カリフォルニア州ラホヤ—ソーク生物学研究所とアイオワ州立大学の科学者らは、種子油、動物や人間の栄養にとって重要な物質、生物再生可能な化学物質、バイオ燃料の生産に役割を果たす植物タンパク質のファミリーを発見した。

まれな科学的ハットトリックを達成して、研究者らはターレ クレス植物に含まれる XNUMX つの関連タンパク質を特定しました (シロイヌナズナ）脂肪酸、すべての細胞膜の化学成分、植物油の代謝を調節します。 彼らはこれらの脂肪酸結合タンパク質をFAP1、FAP2、FAP3と名付けました。

調査結果は13月XNUMX日に報告された。 自然、より高い品質と量の油を生産する改良作物の開発につながり、食料と燃料の需要の増大と、それに伴う世界の生態系への環境圧力への対処に役立つ可能性があります。

「この研究は、植物の脂肪酸プロファイルの調節に大きな意味を持っています。これは、持続可能な食料生産と栄養だけでなく、生物再生可能な化学物質や燃料にとっても非常に重要です」と彼は言います。 ジョセフ・ノエルソークのジャック・H・スカーボール・ケミカルバイオロジー・プロテオミクスセンター所長であり、ハワード・ヒューズ医学研究所（HHMI）の研究者でもあり、植物研究所の遺伝学、発生および細胞生物学の教授であるイブ・シルキン・ワーテレ氏とともに学際的な研究を主導した。アイオワ州。

ゴードン・V・ルイ、ライアン・N・フィリップ、マリアン・E・ボウマン。

画像: ソーク生物学研究所の提供

「脂肪酸などの非常に高エネルギーの分子は太陽エネルギーによって植物内で生成されるため、これらの種類の分子は最終的には生物再生可能製品の最も効率的な供給源となる可能性があります。」とワーテレ氏は述べています。

植物油は主に、XNUMX つの脂肪酸分子が結合して形成されるトリグリセリドで構成されており、主に種子の中に貯蔵され、発芽時のエネルギーとして使用されます。 種子は、栄養、香料、そして石鹸や化粧品の製造、バイオ燃料などの工業用途にとって重要な油源です。 世界的な気候変動と石油の安全保障に対する懸念が高まる中、輸送やエネルギー生成に使用するバイオ燃料の生産は急成長している産業です。

この需要に対処するために、科学者たちは、生産能力と品質を向上させる方法を見つけることを期待して、種子油の代謝に関与する分子経路を解明しています。

彼らの研究では、ノエルと彼の共同研究者らは、植物ゲノムデータの分析を通じて XNUMX つの有望な遺伝子を特定し、タンパク質 X 線結晶構造解析、計算生物学、生化学、突然変異植物分析、メタボロミクス、遺伝子発現プロファイリングなどのさまざまな技術を使用して、これらの遺伝子が生成するタンパク質を機能的に特徴づけます。

彼らは、FAP1、FAP2、FAP3というタンパク質が、特定の種子に含まれる重要な栄養成分である主要な植物のオメガ3脂肪酸を含む脂肪酸に結合することを発見した。 「百聞は一見に如かずと言いますが、これらのFAPには確かに当てはまります」と、脂肪酸の積荷を保持しているFAPの三次元配置を決定したノエルの研究室のHHMI研究員ゴードン・ルイは言う。 。

CHIフォールドタンパク質の既知の構造の重ね合わせ シロイヌナズナ そしてアルファルファ（メディカゴサティバ）。 タンパク質骨格はリボンとして示されており、βストランドは平らな矢印（青）、κヘリックスは幅広のコイル（オレンジ）、ループは細いロープ（灰色）として示されています。 これらのタンパク質のさまざまな結合リガンド (アルファルファ CHI のナリンゲニン、AtFAP1 および AtFAP3 の脂肪酸) はファン デル ワールス球として示されています。

画像: ソーク生物学研究所の提供

このタンパク質は、脂肪酸の生成と光合成の場である葉緑体で発見された。 このことは、これらのタンパク質が脂肪酸の代謝、ひいては植物の膜や油のための脂肪酸の生成に役割を果たしていることが示唆されました。

この仮説は、FAP 遺伝子が種子の発育に最も活性であり、脂肪酸合成に関与するよく知られた酵素と同じ時期および場所で出現することを示すことによって補強されました。 研究者らはまた、植物におけるこれらの遺伝子の発現を変えると、脂肪酸の質と量が変化することも発見した。

「このタンパク質は、シロイヌナズナの脂肪酸代謝における重要なミッシングリンクであるようですが、同じ遺伝子が植物界全体に広がっていることがわかっているため、他の植物種でも同様の機能を果たす可能性があります」と、ノエルズ研究所の博士研究員ライアン・フィリップ氏は言う。研究室

ウルテレの研究室の大学院生、ミシュリン・ンガキ氏は、もし研究者たちが種子油の生産においてタンパク質がどのような役割を果たしているかを正確に理解できれば、新しい植物株のタンパク質の活性を改変して、より多くの油またはより高品質の油を生産できるかもしれないと語る。現在の作物よりも。

研究者らの発見は、進化生物学、そしてどのようにして大規模かつ必須の酵素ファミリーが非酵素的親戚から生じ、その後進化によって完成されるのかにも影響を与える。

研究チームが発見したタンパク質の古代の祖先は、酵素カルコンイソメラーゼに進化した。この酵素は、フラボノイドとして知られる一群のポリフェノールの生産において重要な役割を果たしている。フラボノイドは、植物において多くの機能を果たし、病気の予防に重要な化合物である。人間の食事。

「フラボノイドの機能の XNUMX つは、太陽光から植物を守ることです。これは、植物が最初に海や湖から現れて陸上に定着したとき、重要な役割を果たしたでしょう」とノエルは言います。 「私たちは、藻類や他の非植物生物に今も見られる非常に古いFAPタンパク質が数億年前にカルコンイソメラーゼ活性を獲得し、これにより陸上植物が水の保護環境がない場合でも生存のためにフラボノイドを生産できるようになったということを示しました。 」

この発見はまた、自然がどのようにタンパク質を酵素として知られる化学機械に進化させるかを明らかにすることにより、産業用途のための新しい酵素の作成に焦点を当てている生物工学者を助ける可能性がある。

「自然は少なくとも XNUMX 億年にわたって酵素を完成させてきました。なぜなら、酵素はあらゆる生物の中で何十万もの化学反応を実行しており、これらの反応は私たち全員が生存し、繁栄するために必要だからです」とノエルは言います。 「XNUMX億年前の実験を理解することで、多くのことを学ぶことができます。」

この研究の他の協力者には、アイオワ州立大学遺伝開発・細胞生物学部の非常勤教授、リン・リー氏が含まれる。 ジェラルド・マニング、ソークのラザヴィ・ニューマン生物情報学センター所長。 ソークのジャック・H・スカーボール・ケミカルバイオロジーおよびプロテオミクスセンターのHHMI研究者、マリアンヌ・ボウマン、フローレンス・ポジャー、エリーゼ・ラーセン。

米国科学財団、国立がん研究所、HHMI が研究に資金を提供しました。

ソーク生物学研究所について：

ソーク生物学研究所は世界有数の基礎研究機関の XNUMX つであり、国際的に有名な教員がユニークで協力的かつ創造的な環境で生命科学の基礎的な疑問を研究しています。 ソークの科学者は、発見と次世代の研究者の指導の両方に重点を置き、神経科学、遺伝学、細胞生物学、植物生物学、および関連分野を研究することで、がん、老化、アルツハイマー病、糖尿病、感染症の理解に画期的な貢献をしています。

教員の功績は、ノーベル賞や全米科学アカデミーの会員など、数多くの栄誉によって認められています。 ポリオワクチンの先駆者であるジョナス・ソーク医学博士によって 1960 年に設立されたこの研究所は、独立した非営利団体であり、建築上のランドマークでもあります。