Mentre mordi il tuo prossimo panino con burro di arachidi e gelatina, mastica questo:l'arachide che stai mangiando ha un segreto.

È sottile. L'arachide e i suoi simili, i legumi, non ne hanno uno, ma due modi per produrre l'aminoacido tirosina, uno dei 20 necessari per produrre tutte le sue proteine, e un nutriente umano essenziale. Potrebbe sembrare piccolo, ma il motivo per cui questa famiglia di piante ha un modo unico per creare un elemento chimico così importante è un mistero che risale agli anni '60 ed è uno che ha catturato l'attenzione di Hiroshi Maeda, un professore di botanica presso l'Università del Wisconsin-Madison.

"Siamo interessati alla chimica delle piante, cercando di capire come le piante producano così tanti composti chimici diversi, molti dei quali sono importanti per la nostra società umana come cibo, fibra, alimentazione, carburante, medicina, tante cose, "dice Maeda.

Quelle importanti molecole partono da composti più semplici, come la tirosina, che è il precursore della morfina e di innumerevoli altre sostanze chimiche interessanti e utili.

In una nuova ricerca pubblicata nel numero del 26 giugno di Natura chimica biologia , Maeda e il suo studente universitario Craig Schenck, insieme ai collaboratori della Washington University di St. Louis, riporta come la famiglia delle leguminose ha evoluto la sua seconda via della tirosina. Hanno scoperto la struttura di un nuovo enzima vegetale, uno che potrebbe essere uno strumento utile per i biotecnologi che cercano di controllare la produzione di tirosina e dei suoi derivati. E hanno collegato un importante cambiamento evolutivo nel metabolismo delle piante a una singola mutazione nel nuovo enzima.

Negli anni Sessanta e Settanta, gli scienziati hanno esaminato il mondo vegetale per scoprire come hanno prodotto i composti metabolici chiave, come gli amminoacidi. Mentre tutte le piante usavano un percorso, noto come ADH, per fare tirosina, la famiglia dei legumi:piselli, fagioli, noccioline—aggiunse in modo unico un secondo, chiamato PDH, che altrimenti si trovava solo nei microbi. Nessuno sapeva perché, e il problema è stato accantonato.

Ma due anni fa, Maeda e Schenck hanno rispolverato l'antico mistero. scavando, hanno scoperto i geni responsabili della produzione della tirosina. Hanno scoperto che i legumi avevano evoluto i loro enzimi PDH da quelli ADH esistenti, poco prima che arachidi e piselli si evolvessero in linee separate. Gli enzimi fratelli erano molto simili, il che significava che solo un piccolo numero di cambiamenti poteva spiegare come gli enzimi ADH si sono evoluti in quelli PDH. Ma c'erano ancora troppi cambiamenti da testare uno per uno per vedere quali avevano un effetto.

Poi Maeda ha ricevuto una telefonata da Joe Jez, un biochimico alla Washington University. Con la studentessa di Jez, Cynthia Holland, le due squadre hanno collaborato per purificare l'enzima PDH della soia, un legume, e determinarne la struttura tridimensionale. Con la struttura del PDH in mano, Schenck poteva vedere che nel corso del tempo evolutivo, solo un paio di mutazioni si erano verificate nel sito in cui avvengono le reazioni chimiche. Invece di dozzine di mutazioni da provare, ne aveva solo due.

Schenck scoprì che modificando un singolo amminoacido al centro dell'enzima, è stato in grado di convertire in gran parte l'enzima PDH di soia nel suo enzima ADH antenato. L'interruttore ha funzionato per gli enzimi di più specie, e ha funzionato al contrario:Schenck potrebbe fornire enzimi ADH da piante non leguminose caratteristiche simili alla PDH.

Maeda e Schenck avevano scoperto che i legumi hanno sviluppato un nuovo modo per produrre un'importante sostanza chimica principalmente inciampando su un singolo, interruttore cruciale.

"Il risultato più sorprendente è che un singolo residuo ha davvero giocato un ruolo importante nel passaggio alla produzione di questo enzima specifico per i legumi, " dice Maeda. "E questo solleva un'interessante domanda sul perché altri gruppi di piante non hanno mai evoluto questo enzima unico. Perché solo per caso, forse questa mutazione si è verificata ma non è mai stata mantenuta."

Proprio perché i legumi hanno mantenuto il loro nuovo percorso della tirosina, e quale vantaggio potrebbe fornire, richiederà più lavoro.

Un altro da asporto, dice Maeda, è che lo stesso interruttore che trasforma gli enzimi ADH in PDH blocca la capacità della tirosina di inibire la funzione dell'enzima. Sebbene questo tipo di autoregolazione sia normalmente utile per le cellule, Maeda pensa che l'insensibilità del PDH alla tirosina potrebbe essere un vantaggio per aiutare a produrre più tirosina, e i suoi utili derivati, in sistemi come lievito o piante ingegnerizzate.

"Il pensiero è che il papavero da oppio, Per esempio, sta producendo la tirosina attraverso un percorso standard dell'ADH che è probabilmente inibito dalla tirosina, " spiega Schenck, che ha recentemente completato il suo dottorato nel laboratorio di Maeda, discutere le possibili applicazioni per la nuova ricerca. "Se possiamo introdurre un enzima che non è inibito dalla tirosina, forse possiamo aumentare il pool totale del precursore tirosina per aumentare la produzione di morfina. Potrebbe essere uno strumento utile in futuro in altre specie vegetali o persino nei microbi".