מדענים מהמעבדה הלאומית ברוקהייבן של משרד האנרגיה האמריקני (DOE) גילו שחלבון האחראי לסינתזה של חומר מפתח צמחי התפתח הרבה יותר מוקדם מהחשד. מחקר חדש זה חקר את המקור וההתפתחות של המנגנון הביוכימי שבונה ליגנין, מרכיב מבני של קירות תאי צמחים עם השפעות משמעותיות על תעשיית האנרגיה הנקייה.
כאשר צמחי היבשה הראשונים יצאו מסביבות מימיות, הם היו צריכים להסתגל כדי לשרוד.
צ'אנג-ג'ון ליו, מדען בכיר במחלקה לביולוגיה של ברוקהייבן, אמר: "הופעת הליגנין, המספקת תמיכה מבנית לצמחים, הייתה אירוע אבולוציוני מרכזי שאיפשר את הישרדות הצמחים בסביבה היבשתית החדשה".
ההבנה כיצד צמחים פיתחו מנגנוני הגנה המאפשרים הישרדות בסביבות חדשות היא חיונית שכן הם מתמודדים עם אתגרים המוטלים על ידי שינויי האקלים כיום. אבל ליגנין הוא גם מעניין מאוד חוקרים המחפשים אפשרויות אנרגיה נקייה. ניתן לעבד את החומר הצמחי הקשוח הזה ולהמיר אותו למוצרים ביולוגיים יקרי ערך. והליגנין הוא המקור המתחדש היחיד של תרכובות ארומטיות, הדומות מבחינה כימית למולקולות המצויות בדלק סילוני רגיל ויכולות לשמש כדלק "דרופ-אין" על ידי חברות תעופה.
צמחים מודרניים מכילים שלושה סוגים של ליגנין, אך לרוב הצמחים המוקדמים המכילים ליגנין היו שני סוגים בלבד. הליגנין ה'חדש יותר' נקרא סירינגיל-ליגנין, או S-ליגנין."
צ'אנג-ג'ון ליו, מדען בכיר, המעבדה הלאומית ברוקהייבן
S-ליגנין התפתח לאחרונה יחסית עם צמחים פורחים והוא פחות מורכב מבחינה מבנית משאר מרכיבי הליגנין. היישומים התעשייתיים הפוטנציאליים שלו, במיוחד, משכו את תשומת הלב של מדענים מכיוון שקל יחסית לפרק את S-ליגנין לארומטיות פשוטות.
המחקר החדש, שפורסם לאחרונה ב תא הצמח, מתבסס על שנים של מחקר המתמקד בליגנין ובמולקולות האחראיות לסינתזה שלו. בשנת 2019, ליו ועמיתיו גילו כי ציטוכרום ספציפי ב5 חלבון, CB5D, הוא הכרחי לייצור S-lignin אך לא סוגי הליגנין האחרים והעתיקים יותר.
"הייחודיות של תפקידו של CB5D בסינתזת S-lignin סיקרנה אותנו", ציין ליו. "אז קיבלנו השראה להמשיך ולחקור את מקורו והתפתחותו."
עבודת צוות אנזימטית
במחקר קודם, הצוות של Liu מצא כי ל-CB5D יש שותפות מיוחדת עם אנזים בשם Ferulate 5-hydroxylase (F5H). ביחד, מולקולות אלה סינתזו את ה-S-ליגנין היקר.
המדענים ידעו שהאבולוציה של F5H בצמחים פורחים הובילה לייצור S-ליגנין. אז, הם ציפו לגלות ש-CB5D התפתח יחד עם F5H.
כדי לחקור את ההשערה שלהם, המדענים ערכו ניתוח גנטי כדי למצוא מיני צמחים אחרים שה-DNA שלהם הכיל גנים הדומים לזה המודרני CB5D גן, הפועל כהוראות להרכבת החלבון CB5D. הם זיהו 21 מינים, החל מעתיק אבולוציוני ועד אבולוציוני. לאחר מכן המדענים סינתזו את הגנים הללו וביטאו אותם באופן אינדיבידואלי במין צמח מודרני שעבר שינוי גנטי כדי שלא CB5D גֵן.
"בלי ה CB5D הגן, הצמח מסנתז רק כמות קטנה של S-lignin", אמר שיאנהאי ז'או, חוקר פוסט-דוקטורט בברוקהייבן והמחבר הראשי של המאמר החדש. "אבל אם התפקוד הזה שוחזר עם הביטוי של אחד הגנים הקשורים, אז היינו יודעים שהגן מתפקד באופן דומה למודרני CB5D גֵן."
המדענים גילו שגן ממין אצות ירוקות שהתפתח לצמח יבשתי מוקדם לפני למעלה מ-500 מיליון שנה שיקם את סינתזת S-ליגנין בצמח המודרני. זה הצביע על כך שהגן הציג פונקציונליות מסוג CB5D. המדענים מצאו גם שהתפקוד נשמר במספר צמחי אדמה מוקדמים, כמו עצי כבד וטחבים.
"זה אומר שה-CB5D התפתח מיליוני שנים מוקדם ממה שציפינו", הסביר ליו. "זה היה די מפתיע לגלות שמקבל אלקטרונים מודרני כמו F5H שיתף פעולה עם חלבון עתיק יומין כדי לפתח מכונות ביוכימיות חדשות המסנתזות את מבנה הליגנין המתקדם".
עבודת צוות מדעית והצעדים הבאים
ה CB5D הגן ומקבילו העתיק יותר הכילו רצפים ותפקודים של DNA דומים. אבל המדענים רצו לוודא שהחלבון CB5D ממין קדום, כמו תועלת הכבד, בא לידי ביטוי באותם מבנים תת-תאיים כמו CB5D המודרני.
אז, הם השתמשו במיקרוסקופיה קונפוקלית במרכז לננו-חומרים פונקציונליים, מתקן משתמש של משרד ה-DOE ב-Brookhaven Lab, כדי לאשר שזה היה המקרה.
לאחר שמצא גנים עתיקים המקודדים לחלבונים הדומים לחלבון CB5D המודרני מבחינת סינתזת S-ליגנין בצמחים מודרניים ולוקליזציה תאית, הצוות רצה ללמוד עוד על התפקוד הקדום של חלבון זה וכיצד הוא השתנה או התרחב עם הזמן.
הניתוח שלהם הראה שהחלבון דמוי CB5D הופיע באצות מימיות רגע לפני שהם עברו לסביבה יבשתית. ומכיוון שהוא נשמר בצמחי אדמה מוקדמים, חלבון זה כנראה משרת תפקיד חיוני אחד או יותר.
"צמחים עתיקים כמו עשב כבד לא הכילו S-ליגנין", אמר ג'או. "אם החלבון מסוג CB5D לא היה אחראי לסינתזה של S-ליגנין, מה זה עשה?"
ליו העיר, "זה היופי במחקר. מענה על שאלה אחת מוביל אותך לשאלות מעניינות עוד יותר שמחכות להיחקר."
עבודה זו נתמכה על ידי משרד המדע של DOE.
