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植物中發現的關鍵酶可以指導藥物和其他產品的開發

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2019/09/06
查爾酮異構酶的蛋白質X光晶體結構與稱為(2S) - 柚皮素的產物分子復合,揭示了活性位點精氨酸(標記為Arg 37)如何促進正確異構體的催化。圖片來源:索爾克研究所

植物可以製造化合物、它們可以生產幫助它們驅除害蟲的化合物、吸引傳粉媒介、治癒感染,並保護自己免受環境中的過度溫度、乾旱和其他危害。

來自美國索爾克生物研究所的研究人員,研究了植物如何進化這些天然化學物質的能力,揭示了一種名為查爾酮異構酶的酶如何進化,使植物能夠生產對其生存至關重要的產品。研究人員希望,這些知識將為製造對人類有益的產品提供信息,包括藥物和改良作物。該研究於96 日發表在《ACS Catalysis》的印刷版中。

論文的資深作者,索爾克生物研究所教授Joseph Noel說道:「由於陸地植物大約在4.5億年前首次出現在地球上,它們已經開發出一種複雜的代謝系統,可以將大氣中的二氧化碳轉化為根、芽和種子中的無數天然化學物質。我們過去20年來在實驗室試圖了解植物化學的進化,它為我們提供了詳細的知識,了解植物如何發展出這種獨特的能力來製造一些非常不尋常但重要的分子。

Noel實驗室以前的研究,著眼於這些酶如何從非酶蛋白進化而來,包括研究出現在細菌和真菌等生物中更原始的酶。

作為一種酶,查爾酮異構酶作為催化劑加速植物中的化學反應。它還有助於確保植物中製造的化學物質是正確的形式,因為具有相同化學式的分子可以採取兩種不同的變體,即彼此的鏡像(稱為異構體)。

Noel說道:「在製藥行業,重要的是所製造的藥物是正確的版本或異構體,因為使用錯誤的藥物會導致意想不到的副作用。透過研究查爾酮異構酶如何作用,我們可以更多地了解如何加速製造正確的藥物異構體,和其他可能對人類健康很重要的產品。」

在目前的研究中,研究人員使用了幾種結構生物學技術,來研究酶的獨特形狀以及它與其他分子相互作用時其形狀如何變化。他們精確定位了查爾酮異構酶結構的一部分,使其能夠以極快的速度催化反應,同時確保它能產生適當的生物活性異構體。這些反應導致植物中的大量活動,包括將苯丙氨酸和酪氨酸等初級代謝物,轉化為稱為黃酮類的重要特殊分子。」

事實證明,一種特殊的氨基酸,即精氨酸,是查爾酮異構酶中連接在一起的許多氨基酸之一,位於一個由進化形成的位置,使其在查詢查爾酮異構酶反應的過程中發揮關鍵作用。

第一作者,加州聖貝納迪諾州立大學助理教授Jason Burk 說道:「透過結構研究和電腦建模,我們可以看到隨著反應的進行,精氨酸在酶活性位點內的位置非常精確。如果沒有精氨酸,它就不會以同樣的方式產生作用。」

Burk補充說,有機化學家一直在尋求這種催化劑。「這是大自然已經解決了化學家長期以來一直在關注的問題的一個例子。」

Noel說道:「透過了解查爾酮異構酶,我們可以創建一個新的工具集,化學家將能夠用於他們正在研究的反應。擁有這種基礎知識能夠設計執行特定任務的分子系統至關重要,即使在下一代能夠將溫室氣體二氧化碳,轉化為生命必需分子的營養密集作物中也是如此。」