即使是植物也要靠能源來維持生命，儘管植物以將太陽能轉化為化學能(以糖的形式存在)而聞名，但它們有複雜的生化機制來調節它們如何利用這些能量；製作食用油要花很多錢。美國能源部布魯克海文國家實驗室的一組科學家通過探索這種微妙的能量平衡細節，發現了一種維持植物糖平衡的蛋白質和一種促進油生產的蛋白質之間一種以前未知的聯繫。發表在《植物細胞》(The Plant Cell)上的這項生化檢測工作，指出了利用植物從陽光中獲取能量生產油基生物燃料和其他生物材料的新策略。
博科園-科學科普：領導這項研究的布魯克海文實驗室高級生物化學家約翰·尚克林說：這項研究表明瞭解基本的生物化學和細胞生物學對增加所需植物產品的產量有潛在幫助。這是一個基礎科學的例子，它指出了改善農作物生產更多我們想要東西的方法。Shanklin團隊，包括博士後翟志洋和研究助理劉慧卿，探索了基因和生化因素的作用，這些因素可能提供了植物含糖量和油產量之間的聯繫。我們對糖的體內平衡有很多瞭解，這是一種讓糖保持在適當水平的機制。關鍵的因素之一是控制糖含量的蛋白質，就像恆溫器控制溫度一樣。
當糖含量低時，這種被稱為KIN10的蛋白質會在上千種不同的蛋白質中添加一個磷酸基，以改變它們的功能，最終提高糖的含量。隨著糖水平的提高，KIN10磷酸化蛋白質的能力受到抑制，從而減慢了糖的生產。此外當有足夠的糖分供應時，植物可以“投資”於能源密集型的生產過程，比如油脂的生產。但當糖水平下降時，油產量就會放緩。所以Shanklin懷疑這兩個過程之間有聯繫。研究團隊首先觀察了由KIN10磷酸化的大約1000個蛋白質，但沒有發現它們與油合成的聯繫。因此科學家們將研究重點轉向一種已知的控制油合成的主要調節蛋白。
- 這張圖片顯示的是與DNA(橙色、綠色和藍色的“扭曲的梯子”)結合在一起，啟動植物產油基因的皺摺部分(綠色的“絲帶”)。分子的洋紅色、紅色和藍色棒狀部分被KIN10磷酸化，以標記皺摺，引發一個導致其破壞的過程。干擾這些磷酸化位點可能是一種穩定起皺以增加植物產油的方法。圖片：Brookhaven National Laboratory
這種被稱為皺褶的蛋白質會激活產生油的基因。為了測試這兩種調節蛋白之間的聯繫，研究人員利用了一種快速遺傳分析系統，在菸葉中表達基因(和基因組合)，然後用免疫學方法來測量這些基因產生的蛋白質，再用定量分析來測量油的含量，綜合了許多不同的生化和基因技術來解決這個難題。當科學家們表達出菸草葉子中起皺的基因時，這種“開開關”的產油蛋白質就會隨著油而積累起來。然而當他們同時表達KIN10基因時，皺縮的蛋白被降解，少量的油聚集。這表明皺紋1是kin10 （之前未知的聯繫目標）。
為了進一步研究這種聯繫，研究小組純化了這些蛋白(KIN10和皺褶1)，並使用一種放射性形式的磷元素來追蹤磷酸化反應。當KIN10存在時，放射性磷原子被轉移到皺褶1，最有可能是在兩個位點，研究小組分析了蛋白質的序列後假設為KIN10靶位點。通過製造出缺少這些位點的皺摺基因變體來確認這兩個位點的身份，並證明這些變體沒有被KIN10磷酸化。當我們測試這些改良變種在菸葉中的表達時，皺紋累積到了更高的水平。其原因是，磷酸化標記，併為細胞的天然蛋白質循環機制破壞做好準備。因此，這項研究提供了糖水平和油產量之間的機械聯繫。
- 布魯克海文高級生物化學家約翰·尚克林(中)與研究助理劉慧卿(左)和博士後翟志洋(左)一起研究了菸草植物，以解釋植物的糖平衡和油生產過程之間的聯繫。圖片：Brookhaven National Laboratory
糖含量低時，KIN10會磷酸化起皺的物質，將其標記為破壞性物質，所以減少起皺的物質可以用於石油生產。相反當糖水平上升時（當“經濟”狀況良好時）就會被關閉，皺紋增多，糖水平就會上升，進而推動油生產。這項研究的細節為科學家們提供了幾種可能的方法來修改褶皺，以“誘騙”植物製造更多的油：一種是改變磷酸化的部位，另一種是干擾位點，使磷酸化蛋白進入循環機制。大自然使基因‘開關’壽命很短，能夠對變化的代謝條件做出快速反應，所以我們不需要製造更多的油生產‘開關’，只需要防止蛋白質被降解，這樣蛋白質就會積累，也就能得到更強的效果。
美國能源部布魯克海文國家實驗室的一項研究發現了糖信號分子如何幫助調節植物細胞中油生產的新細節。新發表在《植物細胞》(the Plant Cell)上的一篇論文所述，這項研究可能會為植物生產大量油的新方法指明方向，這些石油可用於生物燃料或其他油基產品的生產。布魯克海文實驗室的生物化學家約翰·尚克林在之前的研究基礎上進行了這項研究，他發現了一種蛋白質複合物(具體來說是一種名為KIN10的亞基)與另一種作為油生產“開關”的蛋白質(起皺了)之間的明確聯繫。利用這一知識，Shanklin的團隊最近證明：可以利用基因變異的組合來增加植物葉片中糖分的積累，從而提高油產量。
- 當植物含糖量低時(左圖)，一連串的分子相互作用會使蛋白質(W)退化，從而啟動脂肪酸合成(FAS)。然而當糖含量高(右)時，這一過程中的關鍵步驟就會被阻斷，W蛋白就會完好無損地開始生產脂肪酸(油)。關鍵字:K = KIN10, G = GRIK1, P =磷酸基，W =皺紋1,FAS =脂肪酸合成，DEG =降解，T6P =海藻糖6-磷酸，褪色的分子和路徑比粗體顯示的活躍程度低。圖片：Brookhaven National Laboratory
這項新研究提供了更詳細的瞭解糖信號和石油生產之間的聯繫，明確了哪些分子調節平衡和如何調節平衡。如果你是一個細胞，你會想知道你是否應該製造新的化合物或者分解現有的化合物，製造油是需要的；當有大量的能量時，就會想要製造它，而細胞中的能量是通過可獲得的糖量來衡量。通過了解糖的可獲得性如何推動油生產，研究人員希望找到辦法讓工廠提高生產油的優先權。研究小組早期的研究揭示了糖油平衡的一些關鍵生化細節。具體來說，發現當糖水平較低時，糖敏感複合物的KIN10部分通過觸發油“接通”開關的降解(起皺)來關閉油生產。
高糖水平在某種程度上阻止了這種降解，使開關蛋白穩定下來，產生油。但是，科學家們並不完全明白這是怎麼回事。在這篇新論文中，第一作者翟志洋(音)和瓊塔娜?基瑞特維德(Jantana keereetacry)領導了一項詳細的研究，試圖弄清楚這些分子分子是如何相互作用，在糖含量豐富的情況下推動油產量上升。研究小組使用了一種新興的技術，稱為微尺度熱泳，它使用熒光染料和熱來精確測量分子相互作用的強度。可以用熒光染料給這些分子貼上標籤，然後測量它們如何遠離熱源。再然後如果添加另一個分子與標記分子結合，它會改變標記分子遠離熱量的速度。
Jan和Zhiyang在這個棘手的研究問題上的快速應用是解決這個問題的關鍵。在研究中包括物質中有一種叫做海藻糖6-磷酸(T6P)分子水平和糖的水平一樣上下波動。研究發現T6P直接與糖敏感複合物的KIN10成分相互作用。展示了這種結合如何幹擾KIN10關閉油生物合成的能力。通過測量許多不同分子之間的相互作用，確定糖信號分子T6P與KIN10結合，並干擾其與之前未知中間產物GRIK1的相互作用，這是KIN10用來標記皺摺破壞物質所必需的。這就解釋了信號如何影響事件鏈並導致油產量增加。不僅是糖，還有與糖一起漲落的信號分子，它們抑制了油的關閉機制。
為了將這些知識付諸實踐以增加油產量，科學家們需要更多的細節。因此，下一步將是在布魯克海文國家同步加速器光源II (nsl -II)上近距離觀察T6P與其靶蛋白KIN10的相互作用。美國能源部科學辦公室的用戶設備產生非常明亮的x射線，這個團隊將使用它來揭示相互作用的分子是如何結合在一起。有了布魯克黑文實驗室的nsl - ii，研究正處於將這項研究帶入下一階段的最佳位置。在光源上有一些獨特的工具可以讓我們為發現的交互添加原子級別的細節。這些細節可以為改變T6P的靶蛋白KIN10的序列指明方法，模擬相互作用的影響，修改細胞“調節電路”以優先生產油。
博科園-科學科普｜參考期刊文獻 :《Plant Cell》｜研究/來自：布魯克海文國家實驗室，DOI: doi.org/10.1105/tpc.17.00019
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