布鲁克海文国家实验室 生物化学家肖·与同事合作研究了一种调节普通脂肪酸合成的开关，从而推动了他在植物中生产特种脂肪酸的研究
学分:布鲁克海文国家实验室 数百种天然存在的特种脂肪酸(油的组成成分)有潜力用作制造润滑剂、塑料、药物等的原料——如果它们能被农作物大规模生产的话
但是，试图将制造这些特殊建筑材料的基因植入农作物的尝试却产生了相反的效果:来自植物的种子中添加了制造特殊脂肪酸的基因，其积累的油显著减少
没人知道为什么
现在，两个生物化学家小组在美国研究石油合成的不同方面
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美国能源部下属的布鲁克海文国家实验室已经汇聚一堂，探索石油生产放缓背后的机制
如《植物生理学》杂志所述，他们杂交了模型植物，并进行了详细的生化遗传分析，以展示一种逆转障碍和提高产量的策略
这项工作为在植物中制造至少一种工业上重要的特种脂肪酸铺平了道路——并且可能适用于许多其他领域
“自从几十年前科学家发现了制造特殊脂肪酸的基因，我们就梦想着把它们放入农作物中，制造出丰富的可再生脂肪酸来源，”布鲁克海文实验室生物系主席约翰·尚克林说，他负责监督这个项目
“但我们一直无法使用它们，因为我们不知道为什么它们会显著减缓脂肪酸和油的合成
许多研究小组一直试图找出这种情况发生的原因
我们现在已经确定了机制，并为实现这一梦想开辟了可能性
" 两个项目交汇 这项研究源于肖恩克林生物化学实验室的两个独立项目
其中一个由肖和蔡领导，主要研究与植物中专门脂肪酸生产相关的挑战
另一个由詹塔纳·基里塔韦为首，正在破译植物用来调节普通脂肪酸和油脂生产的生化反馈回路的细节
通过第二个项目，研究小组最近描述了一种机制，即当植物的常规(内源)脂肪酸水平过高时，植物下调油脂合成
“这个系统就像一个恒温器一样运作，”尚克林解释道
“当热量超过设定值时，炉子就会关闭
" 小组组长、生物系系主任约翰·山克林和生物化学家詹塔娜·基里塔韦和·蔡与肖(上图)合作，增加植物中特种脂肪酸的合成
学分:布鲁克海文国家实验室 就植物油而言，控制生产的关键机器是一种叫做ACCase的酶
它有四个部分或子单元——你可以把它们想象成齿轮
只要内源性脂肪酸低于一定水平，四个“齿轮”就会啮合，机器就会制造出脂肪酸来生产石油
但是给植物喂食额外的内源脂肪酸会引发机器的替代
ACCase的一个子单元被一个不起作用的版本所取代
“这就像一个没有齿的齿轮，”尚克林说
这种无齿齿轮(被称为BADC)减缓脂肪酸生产机制，直到内源性脂肪酸水平下降
相比之下，由特殊脂肪酸(由人工添加到植物中的基因产生的脂肪酸)触发的关闭机制在即使少量的“外来”脂肪酸存在且内源脂肪酸不过量时也会启动
“正因为如此，它们似乎是两个独立的过程，”尚克林说
但是当这两个团队讨论他们的项目时，他们开始怀疑特种脂肪酸是否会触发由高含量普通脂肪酸引发的同样的关闭开关
“想象一下，有一天在同一个实验室的不同项目上工作，在一次实验室会议上，你们互相看着对方，问‘我们有可能在做同样的事情吗？’”香克林说
这个想法为团队提供了一种在新实验中共同努力的方式
检验假设 通过早期的研究，尚克林的团队已经创造了一种拟南芥(一种模式植物)，它的两个BADC基因被删除了
在这些植物中，关闭开关被禁用，植物产生高水平的内源脂肪酸
他们想知道如果BADC基因在生产特殊脂肪酸的植物中失效会发生什么
为了找到答案，肖和蔡设计了一种策略，将有缺陷的关断型植物与一种被设计用来生产羟基脂肪酸的拟南芥菌株进行杂交，这是科学家们希望生产出来用于工业应用的特殊类型之一
后一种菌株可以制造羟基脂肪酸，但是它的油合成速率只有正常植物的一半，而且它在种子中积累的油少得多
一种名为ACCase的植物酶就像一台四档“机器”，可以制造脂肪酸，而脂肪酸是石油的组成部分
高含量的普通脂肪酸，甚至是少量的特种羟基脂肪酸，都会引发机器中的替代品:BADC就像一个没有牙齿的齿轮，取代了BCCP，减缓了生产
缺乏制造BADC的基因的植物可能会产生大量具有经济价值的脂肪酸
学分:布鲁克海文国家实验室 当与四个独立的遗传因子杂交时，需要几代植物才能产生具有所需基因组合的植物:两个基因都是缺失的BADC基因和两个驱动羟基脂肪酸产生的基因，每个遗传因子都有两个相同的拷贝
俞敏洪说:“我们很幸运，有两个非常敬业的学生在布鲁克海文教育项目办公室实习——当时在西奈山高中，现在在麻省理工学院的肯尼斯·魏(Kenneth Wei)和石溪大学的本科生艾伦·邓(Elen Deng)。”
“他们在运行聚合酶链式反应(PCR)测试方面做了出色的工作——类似于新冠肺炎的测试——对600多种植物进行了详细的分析，以找到那些具有所需基因组成的植物
" 然后，Jantana Keereetaweep与于合作，对这些植物进行了生化鉴定，将它们的ACCase活性速率与用于构建新基因组合的两个拟南芥品系的ACCase活性速率进行了比较
最终结果是:含有缺陷BADC基因和制造羟基脂肪酸所需基因的植物产生了正常水平的含有特殊产品的油
与具有正常BADC基因的植物相比，新植物表现出每粒种子脂肪酸总量、每株种子总含油量和每株种子产量的增加
“有BADC缺陷的植物对羟基脂肪酸的存在视而不见，通常关闭产油机器的反应也消失了，”基里塔韦说
结果证明，在两种情况下，BADC是降低ACCase活性的机制——过量内源性脂肪酸的积累和羟基脂肪酸的存在
“我们现在正在测试，看这种机制是否仅限于羟基脂肪酸，或者像我们怀疑的那样，是其他‘外来’脂肪酸所共有的，它们也会降低ACCase活性，”Shanklin说
“如果这是一个普遍的机制，它开启了在富含油的农作物种子中制造额外所需的特殊脂肪酸的梦想的可能性，”尚克林说
尚克林说:“这是一个很好的例子，在这个例子中，对生物化学调节的基本机械学理解可以被运用来促进可行的、可持续的生物经济的发展。”
“我们可以使用这种方法，在工厂中用二氧化碳和阳光以低成本制造有价值的可再生工业原材料，而不是依赖石化产品
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