Традиционная генная инженерия растений (так называемая селекция растений) дала человечеству бесчисленное множество разновидностей фруктов, овощей, цветов и других сельскохозяйственных продуктов, доступных в современном обществе.
Селекция растений по самой своей природе является длительным процессом проб и ошибок. Эти методы обычно включают скрещивание разных линий с интересующими признаками и отбор потомства, которые передают желаемые характеристики. Современные культуры часто не похожи на своих диких предков и обладают многими качествами, такими как увеличенное питание, меньшее количество семян или другие физические характеристики, которые привлекают потребителей. Развитие современных методов молекулярной биологии позволяет производить сельскохозяйственные культуры с желаемыми признаками в значительно сокращенные сроки, часто до 2-3 лет или меньше, путем производства генетически модифицированных товаров.
В результате нового уровня понимания путей биосинтеза основного природного продукта трансгенное перепроизводство метаболитов, таких как п-кумаровая кислота, было успешным как в E. coli, так и в S. cerevisiae. Хотя полученные в результате урожаи были значительно высокими, образование конечного продукта все еще не достигло полной эффективности. Этот недостаток побудил учёных оценить, как различные штаммы этих модельных микроорганизмов реагируют на выработку p-кумаровой кислоты для выбора самых высоких производителей. Хотя это исследование дало положительные результаты, этот процесс отбора должен проводиться для каждого интересующего метаболита. Даже в пределах одного и того же штамма микроорганизмов в одинаковых условиях наблюдались изменения концентрации от одного продукта к другому. Даже при наличии устоявшихся знаний о биохимических процессах биосинтетического пути необходимо также уделять внимание метаболической организации и клеточным условиям. Предлагаю Вам рассмотреть этот процесс на конкретном примере генной модификации цветов, проведённом с целью улучшения потребительских качеств.
Петунии хорошо известны разнообразием существующих гибридов с уникальными типами цветов и окраски, которые имеются в продаже. В течение долгого времени целью было управление метаболическим потоком в петунии для получения «истинно синего» сорта. Первоначальные попытки введения этого признака с помощью генной инженерии включали сверхэкспрессию мутантного фермента CHS японского Mazus ( Mazus japonicas ); однако это привело к непредвиденному доминантно-негативному эффекту, уменьшающему интенсивность окраски цветков петунии. Этот неожиданный результат, вероятно, является результатом того, что рекомбинантный фермент не способен нормально функционировать с нативными ферментами петунии, снижая общий поток в путь флавоноидов. Этот пример дополнительно иллюстрирует, что разработка стратегий синтетического производства на основе традиционных двумерных перспектив ферментативных путей без учета более высоких уровней взаимодействий и трехмерной организации может привести к неожиданным и нежелательным результатам. Не всегда возможно вставить гомологичный ген от другого вида в новую систему, чтобы повлиять на поток к определенному желаемому продукту. Хотя кодированный белок может выполнять ту же ферментативную активность и / или иметь сходную архитектуру активного сайта, фермент не может функционировать должным образом, если он не способен взаимодействовать с ассоциированными нативными белками в более высоких метаболических организационных структурах. Метаболический поток в системе часто является более сложным, чем может показаться на основании известных моделей. Поэтому нацеливание на отдельные специфические ферменты для манипуляции не всегда успешно. Например, изменение Петунии крупноцветкового «Prime Time» от розового до темно - розового цвета , требуется не только сверхэкспрессия фаленопсиса F3'5'H, но дополнительная совместной экспрессии гиацинта DFR и B5 белка , ассоциированная петуния цитохрома. Цитохром B5 представляет собой гемопротеин, локализующийся в мембране, которая часто связана с оксигеназой, такой как F3'5'H, благодаря своей способности действовать в качестве носителя электронов. Хотя это не часто считается частью пути биосинтеза флавоноидов, сверхэкспрессия этого цитохрома В5 была абсолютно необходима для достижения желаемых оттенков.
В этом статье мы размышляли о современных знаниях, касающихся использования метаболической инженерии путей растительных природных продуктов для влияния на производство представляющих интерес соединений, и рассматриваем влияние, которое более высокие уровни организации, такие как образование метабонов, могут оказывать на эти системы.