Молекулярные механизмы, действующие в клетках растений, помогут в разработке улучшенного биотоплива
18.03.2008
3348
0
33480
Недавно обнаруженные в клетках растений биохимические регуляторные пути открывают новые возможности для генетического модифицирования растений с целью улучшения их свойств для использования в качестве источника биотоплива.
Наиболее распространенный вид биотоплива для транспортных средств – целлюлозный или лигноцеллюлозный этанол, который получают путем ферментативной переработки пшеничной и кукурузной соломы, а также сельскохозяйственных отходов. Большую часть перерабатываемой биомассы составляют клеточные стенки, окружающие плазматические мембраны клеток растений и выполняющие структурную, защитную и фильтрационную функции. Клеточные стенки состоят в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, из которых путем ферментативной обработки получают целлюлозный или лигноцеллюлозный этанол, химически идентичный этанолу, полученному из пшеницы или сахара, но более дешевый.
Информация о регуляторных путях, определяющих форму и размер клеточных стенок, даст возможность получить растения с улучшенными качествами для производства биотоплива, например, с легко ферментируемыми или более толстыми клеточными стенками.
Увеличение размера клетки растения в процессе ее роста сопряжено с синтезом клеточной стенки. Клеточные стенки у растений образуются в результате сложного многостадийного процесса. Вопрос заключается в том, каким образом клетка регулирует этот процесс? Ученые из Университета Пурдью (Purdue University) под руководством Дэна Шиманского (Dan Szymanski) дали ответ на поставленный вопрос.
На фотографии: генетик Дэн Шиманский - руководитель исследовательской группы Отделения агрономии в Университете Пурдью, определившей биохимический сигнальный путь, который позволит получать генетически модифицированные растения с улучшенными для производства биотоплива свойствами. Ученые изучают регуляторные пути, определяющие рост и развитие клеток растений.
Группа Дэна Шиманского занимается изучением роста растений и, в частности, тех сигнальных каскадов, которые задействованы в образовании клеточной стенки - механизмов, с помощью которых клетка интерпретирует большой поток информации и транслирует ее в сигналы о росте, модификации или синтезе клеточной стенки в определенном месте. Ученые обнаружили, что основным белком, направляющим эти сигнальные пути, является белок SPIKE1 (от англ. spike - шип, острие), принадлежащий к классу белков, называемых факторами обмена гуаниновых нуклеотидов (guanine nucleotide exchange factors - GEFs).
Используя в качестве модельного организма лабораторное растение из семейства горчичных – Arabidopsis, ученые изучили функцию белка SPIKE1 и обнаружили белки, активность которых он регулирует. С помощью биохимического регуляторного пути, управляемого белком SPIKE1, организуются процессы формирования клеточной стенки.
Белок SPIKE1 является основным регулятором многих сигнальных путей в клетке растения, включая те из них, которые регулируют образование актинового цитоскелета. Группа Шиманского показала, что одной из функций белка SPIKE1 является регуляция организации актиновых филаментов в клетках растений. Актиновые филаменты являются основным компонентом цитоскелета, по которому осуществляется транспорт и утилизация веществ, определяющих размер и форму клетки, а также молекул, необходимых для клеточного метаболизма. Белок SPIKE1 запускает процессы взаимодействия между белками сигнального каскада, инициирующего сборку актиновых филаментов в функциональные структуры, что в конечном итоге приводит к изменениям размеров и формы клетки.
Рост клетки растения вызывает изменения в окружающих ее клетках, имеющих разные формы и функции. Белок SPIKE1 оказывает влияние на организованную клеточную экспансию и межклеточную адгезию.
Нокаут гена, кодирующего белок SPIKE1, привел к аномальному развитию мутантных растений Arabidopsis с отверстиями в эпидермисе листьев.
Рисунок. На трех слайдах зеленый цвет показывает внешние границы эпидермальных клеток растения [i]Arabidopsis. Красный цвет соответствует хлоропластам внутри клеток. На крайнем правом слайде показаны клетки мутантного растения с инактивированным геном, кодирующим белок SPIKE1. На слайде видны отверстия в эпидермисе, образовавшиеся в результате аномальной межклеточной адгезии в мутантном растении.[/i]
Выключая различные гены, кодирующие предполагаемые белки регуляторного пути сборки актиновых филаментов, регулируемого белком SPIKE1, группа Шиманского смогла реконструировать последовательность событий, инициируемых белком SPIKE1. Ученые обнаружили, что растения с мутациями в разных белках одного регуляторного пути имели одинаковые фенотипы. Этот результат подтвердил предположение о том, что все анализируемые белковые комплексы функционируют в одном регуляторном пути.
По мнению ученых, регуляторный каскад, управляемый белком SPIKE1, функционирует в других растениях, таких как рис и кукуруза. Один из белковых комплексов каскада, называемый «WAVE», действует сходным образом в клетках человека и Arabidopsis. Белковый комплекс WAVE участвует в регуляции формирования актинового цитоскелета в клетках человека.
Однако выключение генов, гомологичных гену, кодирующему SPIKE1 в Arabidopsis, в других организмах, приводило к их гибели. Такая летальность затрудняет изучение функций генов, гомологичных гену, кодирующему SPIKE1, в других организмах, включая человека. Тот факт, что Arabidopsis выживает при инактивации гена, кодирующего SPIKE1, оказался для ученых большой удачей и позволил им определить управляемый белком SPIKE1 регуляторный путь.
В ближайшее время группа Шиманского планирует исследовать, какие белки активируют SPIKE1.
Понимание процессов роста и развития клеток растений позволит ученым создать растения с улучшенными качествами для производства биотоплива.
Статья Dipanwita Basu et al. «A SPIKE1 Signaling Complex Controls Actin-Dependent
Cell Morphogenesis through the Heteromeric WAVE and ARP2/3 Complexes» опубликована 11 марта 2008 года в журнале PNAS 2008 Mar 11;105(10):4044-9.
По материалам:
Purdue University
Наиболее распространенный вид биотоплива для транспортных средств – целлюлозный или лигноцеллюлозный этанол, который получают путем ферментативной переработки пшеничной и кукурузной соломы, а также сельскохозяйственных отходов. Большую часть перерабатываемой биомассы составляют клеточные стенки, окружающие плазматические мембраны клеток растений и выполняющие структурную, защитную и фильтрационную функции. Клеточные стенки состоят в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, из которых путем ферментативной обработки получают целлюлозный или лигноцеллюлозный этанол, химически идентичный этанолу, полученному из пшеницы или сахара, но более дешевый.
Информация о регуляторных путях, определяющих форму и размер клеточных стенок, даст возможность получить растения с улучшенными качествами для производства биотоплива, например, с легко ферментируемыми или более толстыми клеточными стенками.
Увеличение размера клетки растения в процессе ее роста сопряжено с синтезом клеточной стенки. Клеточные стенки у растений образуются в результате сложного многостадийного процесса. Вопрос заключается в том, каким образом клетка регулирует этот процесс? Ученые из Университета Пурдью (Purdue University) под руководством Дэна Шиманского (Dan Szymanski) дали ответ на поставленный вопрос.
На фотографии: генетик Дэн Шиманский - руководитель исследовательской группы Отделения агрономии в Университете Пурдью, определившей биохимический сигнальный путь, который позволит получать генетически модифицированные растения с улучшенными для производства биотоплива свойствами. Ученые изучают регуляторные пути, определяющие рост и развитие клеток растений.
Группа Дэна Шиманского занимается изучением роста растений и, в частности, тех сигнальных каскадов, которые задействованы в образовании клеточной стенки - механизмов, с помощью которых клетка интерпретирует большой поток информации и транслирует ее в сигналы о росте, модификации или синтезе клеточной стенки в определенном месте. Ученые обнаружили, что основным белком, направляющим эти сигнальные пути, является белок SPIKE1 (от англ. spike - шип, острие), принадлежащий к классу белков, называемых факторами обмена гуаниновых нуклеотидов (guanine nucleotide exchange factors - GEFs).
Используя в качестве модельного организма лабораторное растение из семейства горчичных – Arabidopsis, ученые изучили функцию белка SPIKE1 и обнаружили белки, активность которых он регулирует. С помощью биохимического регуляторного пути, управляемого белком SPIKE1, организуются процессы формирования клеточной стенки.
Белок SPIKE1 является основным регулятором многих сигнальных путей в клетке растения, включая те из них, которые регулируют образование актинового цитоскелета. Группа Шиманского показала, что одной из функций белка SPIKE1 является регуляция организации актиновых филаментов в клетках растений. Актиновые филаменты являются основным компонентом цитоскелета, по которому осуществляется транспорт и утилизация веществ, определяющих размер и форму клетки, а также молекул, необходимых для клеточного метаболизма. Белок SPIKE1 запускает процессы взаимодействия между белками сигнального каскада, инициирующего сборку актиновых филаментов в функциональные структуры, что в конечном итоге приводит к изменениям размеров и формы клетки.
Рост клетки растения вызывает изменения в окружающих ее клетках, имеющих разные формы и функции. Белок SPIKE1 оказывает влияние на организованную клеточную экспансию и межклеточную адгезию.
Нокаут гена, кодирующего белок SPIKE1, привел к аномальному развитию мутантных растений Arabidopsis с отверстиями в эпидермисе листьев.
Рисунок. На трех слайдах зеленый цвет показывает внешние границы эпидермальных клеток растения [i]Arabidopsis. Красный цвет соответствует хлоропластам внутри клеток. На крайнем правом слайде показаны клетки мутантного растения с инактивированным геном, кодирующим белок SPIKE1. На слайде видны отверстия в эпидермисе, образовавшиеся в результате аномальной межклеточной адгезии в мутантном растении.[/i]
Выключая различные гены, кодирующие предполагаемые белки регуляторного пути сборки актиновых филаментов, регулируемого белком SPIKE1, группа Шиманского смогла реконструировать последовательность событий, инициируемых белком SPIKE1. Ученые обнаружили, что растения с мутациями в разных белках одного регуляторного пути имели одинаковые фенотипы. Этот результат подтвердил предположение о том, что все анализируемые белковые комплексы функционируют в одном регуляторном пути.
По мнению ученых, регуляторный каскад, управляемый белком SPIKE1, функционирует в других растениях, таких как рис и кукуруза. Один из белковых комплексов каскада, называемый «WAVE», действует сходным образом в клетках человека и Arabidopsis. Белковый комплекс WAVE участвует в регуляции формирования актинового цитоскелета в клетках человека.
Однако выключение генов, гомологичных гену, кодирующему SPIKE1 в Arabidopsis, в других организмах, приводило к их гибели. Такая летальность затрудняет изучение функций генов, гомологичных гену, кодирующему SPIKE1, в других организмах, включая человека. Тот факт, что Arabidopsis выживает при инактивации гена, кодирующего SPIKE1, оказался для ученых большой удачей и позволил им определить управляемый белком SPIKE1 регуляторный путь.
В ближайшее время группа Шиманского планирует исследовать, какие белки активируют SPIKE1.
Понимание процессов роста и развития клеток растений позволит ученым создать растения с улучшенными качествами для производства биотоплива.
Статья Dipanwita Basu et al. «A SPIKE1 Signaling Complex Controls Actin-Dependent
Cell Morphogenesis through the Heteromeric WAVE and ARP2/3 Complexes» опубликована 11 марта 2008 года в журнале PNAS 2008 Mar 11;105(10):4044-9.
По материалам:
Purdue University
Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Последние комментарии
