我们研究了在植物中可持续生产高价值萜类生物材料的新策略,脂质液滴是植物和其他组织中储存油的形式

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密歇根州立大学的科学家们开发出合成生物学工具,在植物中共同生产高价值的化合物。该研究发表在Nature
Communications杂志上。

这些图像使用布鲁克海文实验室功能纳米材料中心的共聚焦显微镜拍摄,显示植物细胞液泡内的脂滴。植物一直处于黑暗状态,正在“吃”自己的脂滴,在没有阳光/光合作用的情况下为细胞提供能量。

萜类化合物是植物中最大类的天然产物,已被人类使用了数千年。萜类化合物的现代应用范围很广,从药物,香料,营养保健品,生物杀虫剂到化学原料。然而,在工业规模生产的背景下,萜类化合物的植物积累相当低。而且,在追求提取天然萜类化合物的过程中,一些野生植物甚至已经濒临灭绝。

图片来源:布鲁克海文国家实验室

我们研究了在植物中可持续生产高价值萜类生物材料的新策略,园艺系合成生物学家/生物化学家Radin
Sadre说。Sadre是该研究的主要作者,该研究由MSU-DOE植物研究实验室主任Christoph
Benning和生物化学与分子生物学系助理教授Bjoern Hamberger构思。

美国能源部布鲁克海文国家实验室的生物化学家发现了自噬或自食的两种控制植物细胞中油脂含量的方法。该研究发表在2019年4月29日的植物细胞中,描述了这种自相残杀的过程实际上如何帮助植物生存。它还提供了科学家可能利用的机械细节,以使植物积累更多的石油。

新的合成生物学工具允许在植物叶子中生产萜类化合物和油,生物燃料资源。植物通常不会在叶子中积累大量的油。Benning在植物油和脂质方面的工作是提高叶子含油量的基础。油以小脂滴存储在植物细胞中,所述小脂滴被涂有蛋白质的脂质层包围。该研究表明,膨胀的iconlipid液滴本身可以作为萜类化合物生产的工程平台。Hamberger实验室专注于萜类化合物生物合成途径的代谢工程。

植物通常在其种子中储存油,因此数量有限。研究领导的布鲁克海文生物化学家徐长诚解释说,在植物组织中储存更多的油

通常,萜类化合物生物合成发生在植物细胞内的特定位点。合成生物学方法重新定位并促进工程植物中萜类化合物结构单元和萜类化合物的产生。我们使用脂质表面扩展iconaloteote来从微藻中固定不同的萜类化合物合成将图标酶扩展到植物脂滴表面,Sadre说。针对脂滴的不同萜类合成步骤的靶向导致萜类化合物的有效产生。

  • 叶子,茎和根 –
    会使植物更有用作能源作物。例如,可以提取丰富的植物油并用作生物柴油燃料来运行汽车。或者富含石油的生物质
  • 比典型的由碳水化合物制成的植物物质包装更多的能量 –
    可以被燃烧以发电,加热建筑物和其他能源应用。

这些实验在烟草亲本烟草(Nicotiana
benthamiana)中以实验室规模进行。但是,最终目标是在高产量生物质作物(例如柳枝稷)中生产工业上相关的萜类化合物。该系统的另一个特征是萜类化合物被捕获在脂滴中。这一发现可能在将来用于工程化生物质作物的工业加工中是有用的。

“如果你想增加石油积累,你需要知道石油是如何合成的,并了解植物组织中石油的稳定性,”徐说。“我们的研究表明,自噬在油脂平衡中起着两个主要作用:首先,它对脂质液滴的生物合成很重要,脂质液滴是植物和其他组织中储存油的形式。它还可以在植物中分解这些液滴。需要用油来产生能量。“

萨德尔说:一旦我们在实验室中打开植物细胞,我们就可以轻松地同时收集脂滴 –
基本上是油,萜类化合物。我可以看到许多应用可以在一起使用,例如,某些必需香水或特种生物燃料中的油脂。或者,进一步加工可以将萜类化合物与油​​分离,用于需要更纯化合物的应用。

细胞规模回收

吃一份自己可能听起来像一个奇怪的生存策略。但请考虑这个过程是普遍的。它发生在哺乳动物细胞,酵母和植物的正常生长期间,并且已被证明可通过诸如饥饿等应激事件大量诱导。

“但是,不是手臂或腿,分支或茎的总消耗量,自噬更多是细胞规模的再循环形式,”徐说。

“所有细胞都需要一种摆脱不需要的材料的方法,”他解释道。这些可能包括入侵的病原体,有毒废物,甚至是旧的和受损的“细胞器”,这些微小的器官,如线粒体和叶绿体,可以作为活细胞的基本工作。细胞通常将其垃圾递送到自给自足的回收室:酵母和植物细胞中的“液泡”,或哺乳动物中的“溶酶体”。在内部,强大的酶过于有害,无法在细胞内自由漂浮,可以分解废物,释放出生化成分,可以重新用于制造新的细胞结构或为细胞提供能量。

徐的研究表明,通过这种正常的自噬循环过程释放出来的一些生物化学构件是构成油滴的脂肪酸。

布鲁克海文团队使用他们已经修改过的植物将油脂储存在叶子中。为了追踪油的来源,他们从这些植物中喂养了用放射性碳标记的脂肪酸前体细胞。这种放射性“标签”使他们能够追踪标记分子随时间的变化。

他们发现标记的脂肪酸没有直接掺入脂滴中。相反,它们首先成为细胞各种膜的一部分。

“脂质是细胞膜的主要成分,包括围绕每个细胞器的膜,”徐说。“我们的研究表明,自噬将带有富含脂质的膜的旧细胞器输送到要降解的液泡中,然后从膜中释放的标记脂肪酸最终会储存在脂滴中。”

这些生物化学遗传学研究的另一个步骤证实,食用旧膜对于积累储存的油很重要:关闭自噬所需的基因可使脂滴的积累减少70%。

解决植物问题,也许还有我们的能源需求

一旦他们知道自噬在油脂生物合成中发挥了重要作用,科学家们还想探索它们是否能诱导酵母和哺乳动物细胞在饥饿时食用脂滴的自噬。为了让他们的植物饿死,科学家把它们放在黑暗中。没有阳光,就没有光合作用来提供能量。

在这部分研究中,科学家使用两种荧光标记来标记脂滴和液泡周围的膜。他们使用共聚焦显微镜跟踪了布鲁克海文实验室的功能纳米材料中心,这是DOE科学用户设施办公室。

“这些图像清楚地显示了整个脂滴渗透的空泡,”徐说。在液泡内部,酶通常会分解脂滴以释放脂肪酸以获取能量,但科学家阻止了这种降解,因此他们可以在液滴消失之前捕获图像。

“我们想捕获吞咽,但不能消化,”徐说。

他们再次测试了当他们阻断自噬基因时发生的事情。

“液泡不能吃掉液滴,因此它们会积聚在细胞质中,”徐说。

将未被消化的油滴留在细胞质中可能对在黑暗中挨饿的植物不利,但它可能提示一种方法可以让生物能源作物积累更多的油。

“有很多细节可以发现这个过程是如何发生的,”徐说。“但如果我们能够发现所涉及的信号,我们就可以操纵这个过程,让植物制造和储存更多的脂肪酸,这是生物柴油的主要成分。这些知识也可以用来使油滴更稳定,或者更能抵抗压力的植物。这是一个全新的研究领域!“

(来源:能源部/布鲁克海文国家实验室)

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