Stopování evoluce perfektního rostlinného enzymu

Linie suchozemských rostlin zažila během historie celou řadu velkolepých zvratů. Tím nejdramatičtějším a také nejzávažnějším pro život na Zemi byl ale nepochybně samotný vstup odvážných zelených rostlin na souš. Odehrál se podle všeho v ordoviku, v době před 470 milióny let. Předci dnešních suchozemských rostlin v té době radikálně změnili prostředí. Přechod z vody na souš, kde se rostliny setkaly se zraňujícím ultrafialovým zářením, horkem, suchem i ztrátou mechanické opory, samozřejmě vyžadoval celou řadu změn a nápadů na molekulární úrovni. Dodnes je fascinující sledovat, jakým způsobem se rostliny vyrovnaly s nástrahami, které jim kariéra na souši přichystala.

Právě tohle téma pohltilo Josepha P. Noela z Howard Hughes Medical Institute a jeho tým, když se pustili do dobrodružného stopování evolučních kořenů jednoho významného metabolického enzymu linie suchozemských rostlin. Oním enzymem je chalkon izomeráza, která katalyzuje přeměnu chalkonu na flavanon, čímž hraje ústřední rolí v biosyntéze flavonoidů, sekundárních rostlinných metabolitů s antioxidační aktivitou.

Noel a spol. se zajímají o to, jak vlastně rostliny získaly schopnost vytvářet tak početnou a pestrou skupinu chemických látek, jako jsou právě flavonoidy. Existuje jich ohromné množství forem, přičemž některé poskytují barvu květům, aby snáze přilákaly opylovače anebo nepříjemný zápach, aby rychleji odradily herbivory, podivné příchutě, aby s jejich pomocí odradily vlezlé houby a plísně a také látky, chránící rostliny před pronikavým ultrafialovým zářením. Mnohé flavonoidy jsou běžné v lidské stravě rostlinného původu a ovlivňují proto lidské zdraví. Mnohé z nich určitým způsobem působí na patogeny, nádorové buňky nebo třeba alergeny, většinou příznivě, ale někdy mohou i uškodit.

Chalkon izomeráza je pozoruhodná tím, že dnes funguje takřka perfektně. Je tak efektivní, že o mnoho lepší prý už ani být nemůže. Podle rentgenové krystalografie a biochemických analýz má tak skvěle uspořádanou strukturu, že se již velmi přiblížil funkčním a evolučním limitům.

Ale i tak zázračný enzym musel nějakým způsobem vzniknout. Až donedávna to vypadalo, jako by chalkon izomeráza přiletěla z Marsu. Mají ji jenom suchozemské rostliny a dřívější průzkum genomu vykřičeného huseníčku thallova (Arabidopsis thalliana) tam neodhalil žádné blízké molekulární předky anebo příbuzné. Noelův tým se s tím ale nehodlal smířit. Postupně určili strukturu chalkon izomerázy do nejmenších detailů a díky neutichajícímu pokroku v molekulární biologii rostlin se jim dostaly do rukou nové zajímavé laboratorní technologie. Takto vybaveni se mohli pustit do hledání sekvencí či proteinů blízkých chalkon izomeráze u jiných organismů, než jsou zrovna suchozemské rostliny. Postupně se jim povedlo nalézt sekvence do jisté míry blízké chalkon izomeráze u bakterií a kvasinek. To byl toužebně očekávaný průlom a Noel s kolegy konečně získali hmatatelnou stopu dávného vzniku dnes tak velice precizního enzymu.

Posilněni touto zprávou znovu důkladně proseli genom huseníčku a tentokrát narazili na tři geny z rodiny zvané FAP (Fatty-Acid-binding Proteins, tedy proteiny schopné vázat mastné kyseliny). Přenášení těchto genů (FAP1, FAP2 a FAP3) do bakterií E. coli a také rentgenová krystalografie jejich produktů ukázaly, že FAP proteiny jsou vlastně svorky, které pevně chytají a přenášejí molekuly mastných kyselin. Vědci je stopovali až do chloroplastů, kde se podílejí na primárním metabolismu mastných kyselin, jejich ukládání do pletiv, zejména listů a semen a jsou nezbytné k životu rostlin. Když v rostlinách huseníčku FAP proteiny vypnuli, tak získané rostliny sice vypadaly na první pohled zdravě, ale ve skutečnosti měly vyšší hladiny mastných kyselin v buňkách a tyto mastné kyseliny se lišily od mastných kyselin obvykle přítomných v huseníčku.

Chalkon izomeráza a FAP proteiny dnes mají v suchozemských rostlinách velmi odlišné funkce. Zároveň jsou si tak podobné v sekvenci i struktuře, že jsou si prakticky jistě evolučně velmi blízké. Z toho, co o nich víme, se rýsuje představa, že chalkon izomeráza kdysi dávno vznikla z FAP proteinů. FAP proteiny se podílejí na metabolismu masných kyselin i u zelených řas, z nichž suchozemské v ordoviku vznikly, takže podle všeho jsou velice konzervované. Chalkon izomeráza je oproti tomu relativně mladá evoluční novinka. Odborníci jsou nadšeni objevením propojením mezi metabolismem mastných kyselin a flavonoidů a také inspirací, kterou Noelův tým poskytl rostlinným biotechnologiím.

Autor: RNDr. Stanislav Mihulka PhD.

Použité zdroje:

Originální studie: Ngaki et al. 2012, Nature online 13.5. 2012.

Připraveno podle: Plant enzyme's origins traced to non-enzyme ancestors. PhysOrg 13.5. 2012.

Obrazové přílohy:

Exprese proteinu FAP1 v huseníčku. Kredit: E. S. Wurtele, M. Ngaki

Huseníček. Kredit: Sui-setz, Wikimedia Commons.