懷特黑德生物醫(yī)學(xué)研究所領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組利用代謝組學(xué)技術(shù)揭開(kāi)了一種能夠使植物抵抗常見(jiàn)除草劑的關(guān)鍵蛋白質(zhì)的分子活動(dòng)。他們的研究結(jié)果揭示了蛋白質(zhì) - 一種催化劑或酶，在1990年代首次被細(xì)菌分離并引入植物，包括玉米和大豆等作物 - 有時(shí)可能行為不精確，以及它如何成功地重新生成設(shè)計(jì)得更精確。這項(xiàng)新研究出現(xiàn)在“ 自然植物 ”雜志的網(wǎng)上，提出了21世紀(jì)生物工程的標(biāo)準(zhǔn)。
“我們的工作強(qiáng)調(diào)了生物工程的一個(gè)重要方面，我們現(xiàn)在正在技術(shù)上能夠解決這個(gè)問(wèn)題，”懷特黑德研究所的成員，麻省理工學(xué)院生物學(xué)助理教授，資深作者Jing-Ke Weng說(shuō)。“我們知道酶可以不分青紅皂白地行動(dòng)?，F(xiàn)在，我們擁有檢測(cè)其分子副作用的科學(xué)能力，我們可以利用這些見(jiàn)解來(lái)設(shè)計(jì)具有更高特異性的更智能的酶。”
植物為科學(xué)家研究新陳代謝如何隨時(shí)間變化提供了一個(gè)非凡的模型。因?yàn)楫?dāng)供應(yīng)不足時(shí)，它們無(wú)法擺脫掠食者或?qū)ふ倚碌氖澄飦?lái)源，植物必須經(jīng)常使用現(xiàn)有的內(nèi)部生物化學(xué)方法來(lái)應(yīng)對(duì)各種環(huán)境侮辱。
“盡管它們似乎是靜止的，但植物的代謝系統(tǒng)卻在快速發(fā)展，”翁解釋道。“現(xiàn)在，由于代謝組學(xué)等尖端技術(shù)，我們可以對(duì)這些變化獲得前所未有的觀點(diǎn)，使我們能夠大規(guī)模地分析代謝物和其他生物化學(xué)物質(zhì)。”
這個(gè)進(jìn)化過(guò)程中的關(guān)鍵參與者 - 以及Weng實(shí)驗(yàn)室的主要研究重點(diǎn) - 是酶。傳統(tǒng)上，這些天然存在的催化劑被視為微型機(jī)器，采用適當(dāng)?shù)钠鹗疾牧?或基材)并完美地將其轉(zhuǎn)化為正確的產(chǎn)品。但翁和其他科學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到他們犯了錯(cuò)誤 - 通常是通過(guò)鎖定到一個(gè)非預(yù)期的基板上。“這種被稱為酶濫交的概念，在酶的進(jìn)化和更廣泛的人類疾病中都有各種各樣的含義，”翁說(shuō)。
它對(duì)生物工程也有影響，正如翁氏實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員巴斯蒂安·基督和他的同事最近發(fā)現(xiàn)的那樣。
基督，當(dāng)時(shí)是瑞士蘇黎世大學(xué)StefanHörtensteiner實(shí)驗(yàn)室的一名研究生，正在研究一種特殊的開(kāi)花植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)作為一個(gè)單獨(dú)項(xiàng)目的一部分，他做了一個(gè)令人費(fèi)解的觀察結(jié)果：兩個(gè)生化化合物異常地被發(fā)現(xiàn)他們的葉子水平很高。
奇怪的是，這些化合物(稱為乙酰氨基己二酸和乙酰色氨酸)不存在于任何正常的，所謂的“野生型”植物中。當(dāng)他和他的同事尋找解釋時(shí)，他們縮小了來(lái)源：一種名為BAR的酶，它被植入植物中作為一種化學(xué)信標(biāo)，使科學(xué)家們能夠更容易地研究它們。
但BAR不僅僅是科學(xué)家的工具。它也是轉(zhuǎn)基因作物中最常使用的特性之一，如大豆，玉米和棉花，使它們能夠承受廣泛使用的除草劑(稱為草丁膦或草銨膦)。
數(shù)十年來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)知道，最初從細(xì)菌中分離出來(lái)的BAR可以通過(guò)固定一系列由兩個(gè)碳和一個(gè)氧(也稱為乙?；?組成的化學(xué)物質(zhì)使除草劑失活。正如研究人員在他們的自然植物論文中描述的那樣，它具有混雜的一面，并且可以在其他基質(zhì)上起作用，例如氨基酸色氨酸和氨基己二酸(賴氨酸衍生物)。
這就解釋了為什么他們可以檢測(cè)轉(zhuǎn)基因工程的作物中的非預(yù)期產(chǎn)品(乙酰色氨酸和乙酰氨基己二酸)，如大豆和油菜。
他們的研究包括對(duì)BAR蛋白的詳細(xì)研究，包括與其底物結(jié)合的蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。這為他們提供了如何戰(zhàn)略性地修改BAR以使其不那么混雜的藍(lán)圖，并且僅將除草劑作為底物而不是氨基酸。基督和他的同事創(chuàng)造了幾個(gè)缺乏原始BAR蛋白非特異性活性的版本。
“這些都是天然的催化劑，所以當(dāng)我們從生物體中借用它們并將它們放入另一個(gè)生物體時(shí)，它們可能不一定非常適合我們的目的，”基督說(shuō)。“收集關(guān)于酶如何工作以及它們的結(jié)構(gòu)如何影響功能的這種基本知識(shí)可以教會(huì)我們?nèi)绾芜x擇最佳的生物工程工具。”
還有其他重要的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。當(dāng)美國(guó)食品藥品管理局首次評(píng)估BAR特性時(shí) - 在1995年，用于油菜籽，以及隨后幾年用于其他作物 - 代謝組學(xué)作為生物醫(yī)學(xué)研究技術(shù)基本上不存在。因此，作為其監(jiān)管審查的一部分，它不能用于轉(zhuǎn)基因植物和食品的表征。然而，通常存在于人體內(nèi)的乙酰氨基己二酸和乙酰色氨酸已經(jīng)由FDA審查并且對(duì)于人和動(dòng)物消費(fèi)是安全的。
翁和他的同事認(rèn)為，他們的研究為將代謝組學(xué)分析作為未來(lái)轉(zhuǎn)基因作物審查過(guò)程的一部分提供了有力的理由。“這是一個(gè)值得警惕的故事，”翁說(shuō)。