سلولز -؛ جزء جدایی ناپذیر دیواره سلولی گیاهی -؛ منبع مهمی از غذا، کاغذ، منسوجات و سوخت های زیستی است، اما چگونگی تنظیم آن در سلول های گیاهی نامشخص باقی مانده است. اکنون، تیمی به رهبری محققان در ایالت پن، پروتئینی را شناسایی کرده‌اند که ماشین‌های سلولی مسئول تولید سلولز را تغییر می‌دهد، که در نهایت به آن ماشین‌ها ثبات می‌دهد. این درک جدید می تواند از طراحی مواد پایدارتر و غنی شده با سلولز برای سوخت های زیستی و سایر عملکردها خبر دهد.
در داخل یک سلول گیاهی، مجموعه ای از پروتئین ها به نام کمپلکس سلولز سنتاز، زنجیره ای از سلولز را می سازد. تنظیم این فرآیند ویژگی های مختلفی مانند زمان و سرعت وقوع آن و همچنین طول زنجیره سلولزی را تعیین می کند.
سلولز فراوان ترین پلیمر زیستی روی زمین است، اما علیرغم اهمیت آن، اطلاعات نسبتا کمی در مورد نحوه تنظیم سنتز آن وجود دارد. در این مطالعه، پروتئینی به نام پروتئین کیناز 32 وابسته به کلسیم (CPK32) را شناسایی کردیم و تأیید کردیم که یکی از پروتئین‌های مجموعه سلولز سنتاز را از نظر شیمیایی تغییر می‌دهد و در نهایت به تنظیم فرآیند بیوسنتز سلولز کمک می‌کند.
یینگ گو، استاد بیوشیمی و زیست شناسی مولکولی در کالج علوم ایبرلی ایالت پن و رهبر تیم تحقیقاتی
محققان یافته های خود را در مقاله ای که در 11 جولای در مجله منتشر شد منتشر کردند فیتولوژیست جدید.
اصلاح شیمیایی انجام شده توسط پروتئین CPK32 فسفوریلاسیون نامیده می شود. یک ترکیب شیمیایی معروف به گروه فسفر را به پروتئین سلولز سنتاز CESA3 اضافه می کند. این نوع اصلاحات برگشت پذیر هستند و از انواع عملکردهای مهم بیولوژیکی در سلول پشتیبانی می کنند. در انسان، بیش از 200000 محل روی پروتئین ها را می توان توسط بیش از 500 پروتئین فسفریله کرد که کیناز نامیده می شود. در گیاه آرابیدوپسیس، که به عنوان شاهی تال نیز شناخته می شود و معمولاً در علوم گیاهی استفاده می شود، بیش از 43000 مکان را می توان توسط بیش از 1000 کیناز فسفریله کرد.
گو گفت: «تعیین اینکه کدام یک از بسیاری از کینازها می تواند سنتاز سلولز را فسفریله کند بسیار دلهره آور بود. ما از یک رویکرد غربالگری برای جستجوی پروتئین‌هایی استفاده کردیم که مستقیماً با CESA3 مرتبط هستند. این کیناز CPK32 را نشان داد، و ما با یک سری آزمایش‌ها برای تأیید اینکه CPK32 واقعاً CESA3 را فسفریله می‌کند، دنبال کردیم تا مکان خاصی را در CESA3 که در آن رخ می‌دهد شناسایی کنیم. و برای تعیین اینکه چگونه این فسفوریلاسیون روی گیاه تأثیر می گذارد.”
سپس محققان نسخه ای از پروتئین CESA3 را با جهش ایجاد کردند که محل اضافه شدن گروه فسفر را تغییر داد و از فسفوریلاسیون جلوگیری کرد. سلول های گیاهان جهش یافته -؛ که در آن فسفوریلاسیون CESA3 امکان پذیر نبود – کاهش محتوای سلولز و کاهش پایداری کمپلکس سلولز سنتاز، و گیاهان بالغ گیاهان جهش‌یافته رشد خود را متوقف کردند.
گو گفت: “مطالعات قبلی نشان داده است که CPK32 در چندین فرآیند بیولوژیکی از جمله رشد لوله گرده و همچنین رشد ساقه و ریشه نقش دارد.” در اینجا، عملکرد جدیدی از CPK32 و مکانیسم جدیدی از فسفوریلاسیون در تثبیت کمپلکس سنتاز سلولز را نشان می‌دهیم.
در مرحله بعد، محققان قصد دارند بررسی کنند که آیا فسفوریلاسیون CESA3 منحصر به CPK32 است یا اینکه هر کیناز دیگری در همان خانواده می تواند به طور مشابه بیوسنتز سلولز را تنظیم کند.
گو گفت: «با تنظیم پایداری کمپلکس سنتاز سلولز، ممکن است بتوانیم سلول‌ها را به تولید زنجیره‌های سلولزی طولانی‌تر تشویق کنیم و در نهایت مواد غنی از سلولز را مهندسی کنیم.
علاوه بر گو، تیم تحقیقاتی در ایالت پن شامل Xiaoran Xin، دانشجوی کارشناسی ارشد در برنامه بیوشیمی، میکروبیولوژی و زیست‌شناسی مولکولی در زمان تحقیق می‌شود. دونگهوی وی، دانشجوی کارشناسی ارشد زیست شناسی گیاهی؛ لی لی، دانشجوی کارشناسی ارشد زیست شناسی گیاهی در زمان تحقیق. و Shundai Li، استادیار بیوشیمی و زیست شناسی مولکولی. این تیم تحقیقاتی همچنین شامل هایان ژنگ از دانشگاه راتگرز و ایان والاس در دانشگاه نوادا در رنو است.
این تحقیق توسط مرکز ساختار و تشکیل لیگنوسلولز، یک مرکز تحقیقات مرزی انرژی که توسط وزارت انرژی ایالات متحده تامین مالی می شود، پشتیبانی می شود. دپارتمان بیوشیمی و بیولوژی مولکولی ایالت پن؛ و بنیاد ملی علوم.
منبع:
مرجع مجله:
شین، ایکس، و همکاران (2023) پروتئین وابسته به کلسیم KINASE32 بیوسنتز سلولز را از طریق اصلاح پس از ترجمه سنتاز سلولز تنظیم می کند. فیتولوژیست جدید. doi.org/10.1111/nph.19106.