Incluso las plantas tienen que vivir con un presupuesto de energía. Si bien son conocidas por convertir la energía solar en energía química en forma de azúcares, las plantas tienen mecanismos bioquímicos sofisticados para regular cómo gastan esa energía. Producir aceites cuesta mucho.
Al explorar los detalles de este delicado equilibrio de energía, un grupo de científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Ha identificado un vínculo previamente desconocido entre una proteína que mantiene el equilibrio de azúcar de la planta y una que activa la producción de petróleo. El detective bioquímicotrabajo, descrito en la revista La célula vegetal , señala nuevas estrategias para aprovechar la captura de las plantas de energía del sol para producir biocombustibles a base de petróleo y otros biomateriales.
"Este estudio muestra cómo la comprensión de la bioquímica fundamental y la biología celular puede ser útil para aumentar la producción de los productos vegetales deseados", dijo John Shanklin, bioquímico senior de Brookhaven Lab, quien dirigió la investigación. "Es un ejemplo de ciencia básica que señala formaspara mejorar las plantas de cultivo para producir más de lo que queremos "
El equipo de Shanklin, que incluye a su compañero posdoctoral Zhiyang Zhai y al investigador asociado Hui Liu, exploró el papel de los factores genéticos y bioquímicos que podrían proporcionar un vínculo entre los niveles de azúcar de las plantas y la producción de petróleo.
"Sabemos mucho acerca de la homeostasis del azúcar: los mecanismos que mantienen el azúcar en el nivel correcto", dijo Shanklin. "Uno de los actores clave es una proteína que controla los niveles de azúcar de forma muy similar a como un termostato controla las temperaturas".
Shanklin explicó. Cuando el nivel de azúcar es bajo, esta proteína, conocida como KIN10, agrega un grupo fosfato a miles de proteínas diferentes para cambiar sus funciones de manera que finalmente aumenten los niveles de azúcar, explicó Shanklin. A medida que los niveles de azúcar aumentan la capacidad de KIN10 para fosforilar proteínasse inhibe, ralentizando la producción de azúcar.
Además, cuando hay suficiente azúcar disponible, las plantas pueden invertir en procesos intensivos en energía, como la fabricación de aceites. Pero cuando los niveles de azúcar caen, la producción de petróleo se desacelera. Por lo tanto, Shanklin sospechó un vínculo entre estos dos procesos.
Su equipo comenzó observando las aproximadamente 1,000 proteínas fosforiladas por KIN10, pero no encontró los enlaces a la síntesis de aceite que estaban buscando. Por lo tanto, los científicos centraron su atención en una proteína reguladora maestra conocida para controlar la síntesis de aceite.
"Esta proteína, conocida como WRINKLED1, activa los genes que producen aceite", dijo Shanklin.
"Para probar los vínculos entre las dos proteínas reguladoras, explotamos un sistema de análisis genético rápido para expresar genes y combinaciones de genes en las hojas de tabaco, y luego utilizamos métodos inmunológicos para medir las proteínas producidas por esos genes y el análisis cuantitativo paramedir el petróleo ", dijo Zhai, el postdoc que realizó muchos de los experimentos.
"Esta fue una historia de detectives difícil, resuelta con creatividad por parte de Zhai", dijo Shanklin. "Reunió varias técnicas bioquímicas y genéticas diferentes para resolver este rompecabezas".
Cuando los científicos expresaron el gen para WRINKLED1 en las hojas de tabaco, esta proteína "en el interruptor" de producción de aceite se acumuló junto con el aceite. Sin embargo, cuando también expresaron el gen para KIN10, la proteína WRINKLED1 se degradó y se acumuló poco aceite.sugirió que WRINKLED1 fue de alguna manera el objetivo de KIN10, una conexión previamente desconocida.
Para investigar más a fondo la conexión, el equipo purificó estas proteínas KIN10 y WRINKLED1 y utilizó una forma radiactiva del elemento fósforo para rastrear la reacción de fosforilación. Cuando KIN10 estaba presente, los átomos de fósforo radiactivo se transfirieron a WRINKLED1, muy probablemente endos sitios que el equipo planteó como sitios objetivo KIN10 después de analizar la secuencia de la proteína.
"Confirmamos la identidad de los dos sitios haciendo variantes genéticas de WRINKLED1 que no los tenían, y demostramos que estas variantes no estaban fosforiladas por KIN10", dijo Shanklin. "Y cuando probamos la expresión de las variantes modificadas en el tabacohojas, WRINKLED1 acumuladas a niveles superiores "
La razón, explicó Shanklin, es que la fosforilación marca y prepara WRINKLED1 para su destrucción por la maquinaria de reciclaje de proteínas naturales de la célula.
Por lo tanto, este trabajo proporciona un vínculo mecanístico entre los niveles de azúcar y la producción de petróleo.
"Cuando el azúcar es baja, KIN10 fosforila WRINKLED1, marcándolo para su destrucción, por lo que hay menos WRINKLED1 disponible para activar la producción de petróleo", dijo Shanklin. "Por el contrario, cuando los niveles de azúcar aumentan, cuando los tiempos son buenos, KIN10 se enciendeapagado y los niveles WRINKLED1 suben e impulsan la producción de petróleo "
Los detalles del estudio ofrecen varias formas posibles para que los científicos modifiquen WRINKLED1 para tratar de "engañar" a las plantas para que produzcan más petróleo: una es alterar los sitios que se fosforilan; la otra es interferir con los sitios que permiten la proteína fosforiladapara entrar en la maquinaria de reciclaje.
"La naturaleza hace que los 'interruptores' genéticos sean de corta duración para permitir respuestas rápidas a las condiciones metabólicas cambiantes", dijo Shanklin. "Por lo tanto, no necesitamos aprovechar más el 'interruptor' de producción de petróleo, solo necesitamospara evitar que la proteína se degrade para que se acumule y obtengamos efectos más fuertes ".
Este nuevo conocimiento mecanicista de la degradación de WRINKLED1 puede ayudar a los ingenieros metabólicos a lograr su objetivo de convertir los aceites vegetales en un recurso sostenible para la fabricación de biocombustibles y otros productos químicos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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