植物可以做很多驚人的事情。在他們的才能中，他們可以制造化合物，幫助他們驅(qū)除害蟲，吸引傳粉媒介，治愈感染，并保護自己免受環(huán)境中的過度溫度，干旱和其他危害。

來自Salk研究所的研究人員研究了植物如何進化這些天然化學(xué)物質(zhì)的能力，揭示了一種名為查爾酮異構(gòu)酶的酶如何進化，使植物能夠生產(chǎn)對其生存至關(guān)重要的產(chǎn)品。研究人員希望，這些知識將為制造對人類有益的產(chǎn)品提供信息，包括藥物和改良作物。該研究于2019年9月6 日出現(xiàn)在ACS Catalysis的印刷版中。

“由于陸地植物大約在4.5億年前首次出現(xiàn)在地球上，它們已經(jīng)開發(fā)出一種復(fù)雜的代謝系統(tǒng)，可以將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為根，芽和種子中的無數(shù)天然化學(xué)物質(zhì)，”Salk教授Joseph Noel說道。論文的資深作者。“這是我們過去20年來在實驗室中所做的工作的高潮，試圖了解植物化學(xué)的進化。它為我們提供了詳細(xì)的知識，了解植物如何發(fā)展出這種獨特的能力來制造一些非常不尋常但重要的分子。 “

諾埃爾實驗室以前的研究著眼于這些酶如何從非酶蛋白進化而來，包括研究出現(xiàn)在細(xì)菌和真菌等生物中的更原始的酶。

作為一種酶，查爾酮異構(gòu)酶作為催化劑加速植物中的化學(xué)反應(yīng)。它還有助于確保植物中制造的化學(xué)物質(zhì)是正確的形式，因為具有相同化學(xué)式的分子可以采取兩種不同的變體，即彼此的鏡像(稱為異構(gòu)體)。

Salk教授Joseph Noel，在他的實驗室中拍攝，旁邊是一臺NMR光譜儀，用于破譯分子電子結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。圖片來源：Salk Institute

“在制藥行業(yè)，重要的是所制造的藥物是正確的版本或異構(gòu)體，因為使用錯誤的藥物會導(dǎo)致意想不到的副作用，”Noel說道，他是Salk的Jack H. Skirball化學(xué)生物學(xué)中心的主任。和蛋白質(zhì)組學(xué)，并持有Arthur和Julie Woodrow主席。“通過研究查爾酮異構(gòu)酶是如何起作用的，我們可以更多地了解如何加速制造正確的藥物異構(gòu)體和其他可能對人類健康很重要的產(chǎn)品。”

在目前的研究中，研究人員使用了幾種結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)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(gòu)酶結(jié)構(gòu)的一部分，使其能夠以極快的速度催化反應(yīng)，同時確保它能產(chǎn)生適當(dāng)?shù)纳锘钚援悩?gòu)體。這些反應(yīng)導(dǎo)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(zhuǎn)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(gòu)酶中連接在一起的許多氨基酸之一，位于一個由進化形成的位置，使其在查詢查爾酮異構(gòu)酶反應(yīng)的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

“通過結(jié)構(gòu)研究和計算機建模，我們可以看到隨著反應(yīng)的進行，精氨酸在酶活性位點內(nèi)的位置非常精確，”第一作者杰森伯克說，他是諾埃爾實驗室的前博士后研究員，現(xiàn)在是加利福尼亞州的助理教授。圣貝納迪諾州立大學(xué)。“如果沒有精氨酸，它就不會以同樣的方式起作用。”

伯克補充說，有機化學(xué)家一直在尋求這種催化劑。“這是大自然已經(jīng)解決了化學(xué)家長期以來一直在關(guān)注的問題的一個例子，”他補充道。

“通過了解查爾酮異構(gòu)酶，我們可以創(chuàng)建一個新的工具集，化學(xué)家將能夠用于他們正在研究的反應(yīng)，”諾埃爾說。“擁有這種基礎(chǔ)知識能夠設(shè)計能夠執(zhí)行特定任務(wù)的分子系統(tǒng)是至關(guān)重要的，即使在下一代能夠?qū)厥覛怏w二氧化碳轉(zhuǎn)化為生命必需分子的營養(yǎng)密集作物中也是如此。”