Gli scienziati che studiano la biochimica delle piante presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno scoperto nuovi dettagli sulle biomolecole che frenano la produzione di petrolio. I risultati suggeriscono che disabilitare questi freni biomolecolari potrebbe spingere la produzione di petrolio a una marcia in più, un possibile percorso verso la generazione di abbondanti biocarburanti e bioprodotti di origine vegetale. Lo studio appare nella rivista Fisiologia vegetale .

"È normale che le cellule vegetali riducano la produzione di petrolio quando le nutriamo con acidi grassi in eccesso, e questo studio conferma la nostra ipotesi su come lo fanno. Ma abbiamo anche scoperto che i freni alla produzione di petrolio sono parzialmente inseriti anche in condizioni normali, che è stata una grande sorpresa, ", ha detto il biochimico del Brookhaven Lab John Shanklin, che ha condotto la ricerca.

"Sarebbe come guidare un'auto per diversi anni e scoprire un giorno che un freno di stazionamento che non sapevi era sempre stato inserito. Quando togli quel freno, l'auto ha molta più potenza; questo è quello che abbiamo appena scoperto per la produzione di olio vegetale, " Egli ha detto.

Un delicato equilibrio

La biomolecola centrale di questo studio è l'enzima che determina il tasso di produzione del petrolio. Quell'enzima, noto come ACCase, è una proteina composta da quattro subunità, tutto ciò che è necessario per il funzionamento dell'enzima. Con tutte e quattro le subunità in posizione, l'enzima guida il primo passo nella sintesi degli acidi grassi, componenti chiave degli oli.

Un precedente lavoro del gruppo di Shanklin nel 2012 ha rivelato che quando le cellule vegetali sono state alimentate con un eccesso a breve termine di acidi grassi (della durata di meno di due giorni), un ciclo di feedback ha inibito questo enzima, quindi la produzione di petrolio rallenterebbe. Finché le concentrazioni di acidi grassi sono diminuite entro due giorni, l'enzima e la produzione di petrolio si riaccenderebbero. Ma un eccesso a lungo termine di acidi grassi disabiliterebbe permanentemente l'enzima. Al tempo, gli scienziati conoscevano diversi modi in cui l'enzima poteva essere inibito, ma nessuno di quei modi poteva spiegare l'inibizione irreversibile che stavano osservando.

Quando i colleghi dell'Università del Missouri hanno scoperto una versione inattiva di una delle quattro subunità enzimatiche nel 2016, Shanklin sospettava che questa subunità inattiva potesse essere la causa dell'arresto permanente, prendendo il posto di una delle subunità attive nell'enzima. Ha progettato questo nuovo studio per verificare tale ipotesi.

Il membro del team Hui Liu ha ottenuto piante in cui i geni che codificano per le subunità inattive sono stati disabilitati individualmente. Ha usato quelle varianti per allevare piante che avevano combinazioni di subunità disabili. Se l'idea di Shanklin era corretta, le cellule con subunità inattive disabilitate avrebbero una capacità inferiore di disattivare l'enzima.

"Sospettavamo che disabilitare i geni avrebbe spento l'interruttore per la produzione di petrolio, permettendo alle cellule vegetali di produrre più olio, "Ha spiegato Shanklin.

Quando il membro del team Jan Keereetaweep ha testato questa idea alimentando le cellule vegetali con acidi grassi in eccesso, è esattamente quello che è successo:le cellule con combinazioni di geni disabilitati non hanno spento la produzione di petrolio come hanno fatto le cellule con i geni normali.

"C'era il 50% in meno di inibizione della produzione di petrolio nelle cellule con geni disabilitati rispetto alle cellule vegetali di tipo selvatico, "Ha detto Shanklin. Quel risultato ha confermato che la subunità inattiva codificata dai geni normali nelle piante di tipo selvatico era davvero ciò che ha innescato l'arresto permanente dell'enzima.

Ma la grande sorpresa è arrivata quando Keereetaweep ha misurato la sintesi degli acidi grassi nelle cellule vegetali con subunità inattive disabilitate senza nutrirle artificialmente di acidi grassi in eccesso e ha confrontato i risultati con quelli delle cellule vegetali di tipo selvatico nelle stesse condizioni. In quelle condizioni normali, dove non ti aspetteresti di vedere inibita la produzione di petrolio, l'enzima che guida la produzione di olio era significativamente più attivo nelle cellule vegetali con i geni disabilitati rispetto alle cellule vegetali normali.

"Ciò significa che, anche in condizioni normali, subunità inattive stanno frenando ACCase, riducendone l'attività e limitando la produzione di petrolio, "Ha detto Shanklin. "Disabilitare i geni per quelle subunità inattive è come togliere i freni dalla macchina, rivelando il vero potenziale del motore."

"Questo progetto è stato un'eccellente collaborazione tra Keereetaweep, Liu, e Zhiyang Zhai per rispondere ad alcune domande scientifiche di base sul metabolismo delle piante, " osservò Shanklin. "Ora, la conoscenza che hanno generato può potenzialmente sostenere strategie per aumentare l'accumulo di petrolio nelle specie vegetali coltivate per applicazioni come biocarburanti o bioprodotti".