植物是地球上最有效的能量转换器之一。它们捕获太阳能并将其转化为碳基化合物，这些化合物用于能源以及建立必需的植物成分，包括围绕每个植物细胞的细胞壁。在美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室进行的一项新的生物化学遗传学研究中，科学家揭示了分子机械的新细节，这些机械有助于将碳引入关键的细胞壁组件。

了解植物细胞如何控制其外部支持物的构建可以帮助科学家设计新的方法来促进这些结构中碳的储存，或促进碳基生物质转化为生物燃料和其他有用的产品。

这项发表在“自然植物”杂志上的研究报告了植物细胞膜上嵌入的两种蛋白质如何作为支架来组织三种关键酶，这些酶特异性地将碳引入合成称为木质素的细胞壁聚合物。

木质素对于植物直立生长的能力至关重要，并且代表了植物的大量碳储存成分。但是因为它包围着其他细胞壁成分 - 纤维素和半纤维素 - 木质素保护这些富含碳的物质免受常用于将它们转化为燃料或其他生物产品的生化过程。特别是了解木质素合成的细节可能会提供有关如何克服这一挑战的线索。

这三种酶建立了称为单木质醇的生物化学结构单元的结构特征，其连接形成木质素。科学家此前认为这些酶彼此相关，并作为组织单木质素合成的锚定位点。

“我们开始这个项目来详细研究这三种酶的相互作用，”Brookhaven生物化学家和项目负责人刘长军说。“我们发现即使三种酶在称为内质网的膜上彼此靠近，它们也不会直接相互作用。相反，两种不同的蛋白质与所有三种酶相互作用。“

单独的蛋白质是嵌入内质网中的“膜类固醇结合蛋白”(MSBPs) - 细胞膜的内部“高速公路”，内衬有制造蛋白质并将这些产品运输到细胞内外的分子机器。

“这些膜结合蛋白用作支架，将三种酶组织并稳定成一种分子机制，控制代谢途径将碳特异性地引入构建木质素前体，”Liu说。

Liu指出，让酶参与在空间上彼此靠近组织的代谢途径的连续步骤可以提高该途径的效率。但是，在本研究之前，monolignol生物合成酶如何组织的细节是难以捉摸的。

研究细节我们首先寻找monolignol生物合成酶之间直接相互作用的证据，”刘说。他们在酵母细胞培养中使用生化技术，这些技术通常用作研究蛋白质 - 蛋白质相互作用的模型系统。但是一旦发现没有相互作用 - 这是一个惊喜 - 他们重复了植物细胞培养的研究。

在这些研究中，科学家们使用荧光标记和成像技术来定位植物细胞内的蛋白质。这次他们的研究结果证实，所有三种酶都沿着内质网彼此靠近，这意味着相互作用。

“这两种检测结果的矛盾向我们表明，通过荧光成像观察到的三种酶的相互作用可能是间接的 - 并且表明其他蛋白质或因子可能介导体内酶之间的关联，”Liu说。

为了验证这一假设，科学家们制造了三种酶与特定标签融合，并在植物细胞中产生。然后，他们从细胞中取出这些酶，检查所有与三种酶一起出来的蛋白质。这些研究使用液相色谱 - 耦合质谱法鉴定了两种伴随三种酶的膜类固醇结合蛋白。科学家们还发现，膜类固醇结合蛋白可以与自身或彼此结合形成蛋白质簇。

“这些观察结果强烈表明，MSBPs将单木质素生物合成酶组织成多聚体蛋白复合物或酶簇，”Liu说。“通过这种类型的组织，三种酶可以彼此靠近而不必直接相互作用，”他补充说。这种排列有助于通过使酶及其共同的辅因子以足够高的浓度彼此接近来有效地转移有效化学反应所需的碳底物和电子来促进木质素合成。

为了测试MSBPs的作用，科学家创造了植物系，其中这些蛋白质的基因被抑制。虽然这些植物仍可以制造三种单木质醇合成酶，但它们最终的木质素含量明显减少。