纤维素是植物细胞壁的重要组成部分，是食品、纸张、纺织品和生物燃料的重要来源，但其在植物细胞内的产生过程如何受到调节仍不清楚。现在，由宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一个团队发现了一种蛋白质，可以修改负责生产纤维素的细胞机器，最终为该机器提供稳定性。这种新的理解可以为用于生物燃料和其他功能的更稳定、富含纤维素的材料的设计提供信息。
在植物细胞内，一种称为纤维素合酶复合物的蛋白质复合物构建了一条纤维素链。该过程的调节决定了多种特性，例如其发生的时间和速度以及纤维素链的长度。
“纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，尽管它很重要，但人们对其合成是如何调控的知之甚少，”宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学院生物化学和分子生物学教授、该研究团队的负责人顾英说。“在这项研究中，我们发现了一种名为钙依赖性蛋白激酶 32 (CPK32) 的蛋白质，并证实它对纤维素合酶复合物中的一种蛋白质进行化学修饰，最终有助于调节纤维素生物合成过程。”
研究人员在 7 月 11 日发表在《新植物学家》杂志上的一篇论文中发表了他们的发现。
CPK32蛋白进行的化学修饰称为磷酸化;它将一种称为磷基团的化合物添加到纤维素合酶蛋白 CESA3 中。这些类型的修饰是可逆的，支持细胞中的各种重要的生物功能。在人类中，蛋白质上超过 200,000 个位置可以被超过 500 种蛋白质磷酸化，这些蛋白质被称为激酶。拟南芥(也称为拟南芥，常用于植物科学)中，超过 43,000 个位置可被 1,000 多种激酶磷酸化。
“确定众多激酶中的哪一种可以磷酸化纤维素合酶是非常艰巨的，”Gu 说。“我们使用筛选方法来寻找与 CESA3 直接相关的蛋白质。这揭示了激酶 CPK32，我们随后进行了一系列实验，以确认 CPK32 确实磷酸化 CESA3，确定 CESA3 上发生磷酸化的具体位置，并确定这种磷酸化如何影响植物。”
然后，研究人员创建了 CESA3 蛋白的一个版本，其突变改变了添加磷基团的位点，从而防止磷酸化。突变植物的细胞——CESA3不可能被磷酸化——纤维素含量降低，纤维素合酶复合物的稳定性降低，并且突变植物的成年植物生长发育迟缓。
“之前的研究表明 CPK32 在多种生物过程中发挥作用，包括花粉管生长以及芽和根发育，”Gu 说。“在这里，我们展示了 CPK32 的新功能和稳定纤维素合酶复合物的磷酸化新机制。”
接下来，研究人员计划研究 CESA3 的磷酸化是否是 CPK32 所独有的，或者同一家族中的任何其他激酶是否可以类似地调节纤维素生物合成。
“通过调节纤维素合酶复合物的稳定性，我们也许能够鼓励细胞产生更长的纤维素链，并最终设计出富含纤维素的材料，”顾说。
除了Gu之外，宾夕法尼亚州立大学的研究团队还包括Xiaoran Xin，他是研究时生物化学、微生物学和分子生物学项目的研究生;魏东辉，植物生物学研究生;雷雷，研究时植物生物学研究生;李顺岱，生物化学与分子生物学助理教授。该研究团队还包括罗格斯大学的郑海燕和内华达大学里诺分校的伊恩华莱士。
这项研究得到了木质纤维素结构与形成中心的支持，这是一个由美国能源部资助的能源前沿研究中心;宾夕法尼亚州立大学生物化学和分子生物学系;和国家科学基金会。
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