果胶合成酶可以帮助树木抵御风暴 它能否成为更可持续的生物制品的关键

春天意味着该国大部分地区的暴风雪，这可能会带来数英寸的厚重潮湿雪。树枝下垂，一些折断 - 但大多数在温暖的春日阳光下迅速反弹。

植物细胞含有大量的木质素、纤维素和半纤维素，它们是植物茎和树干的主要组成部分。然而，人们对关键的第四种聚合物：果胶知之甚少，果胶被认为通过与其他三种成分互连来提供强度和柔韧性。

特别令科学家困惑的是植物究竟是如何构建细胞壁的果胶成分的。

现在，来自国家可再生能源实验室(NREL)，佐治亚大学和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员发现了制造果胶一种特定成分所涉及的生物学机制。这篇文章发表在《自然植物》上，详细介绍了半乳聚糖合酶1(GalS1)的结构和生化活性，该酶是一种参与将糖半乳糖转化为聚合物形式的酶，称为半乳聚糖 - 一种重要的果胶成分。

“如果你问生物燃料行业的大多数人关于植物细胞壁的主要成分，他们会告诉你纤维素，半纤维素和木质素，”NREL生物物理学家Yannick Bomble说。“除非你与植物科学家交谈，否则果胶经常被忽视，但它是任何植物中非常重要的成分。

该研究补充了该团队最近的其他工作，该工作详细介绍了植物生物聚合物合成中的不同过程。它们共同提供了一幅关于植物酶如何协同工作以构建复杂聚合物的图片 - 科学家有朝一日可能会对其进行修改，以更容易地从生物质中提取有用的细胞壁成分或制造可持续的生物产品。

GalS1用阿拉伯糖和半乳糖的侧链装饰果胶

为了创造灵活的四肢、深根和坚固的树干，植物酶协同工作，将糖等原始资源重新配置成聚合物，以后可以用作细胞壁的建筑材料。在这些过程中涉及的众多酶中，GalS1扮演着特定的角色：它将半乳糖糖分子连接在一起，在特定位置形成一条长长的果胶链，几乎就像将树枝固定在中央树干上一样。

结果是果胶的结构复杂分子成分。根据NREL计算科学家Vivek Bharadwaj的说法，研究人员一直在努力理解参与制造果胶等聚合物的植物酶，如GalS1。

“我们想在原子水平上了解底物如何在活性位点结合，以及糖附着以增加半乳聚糖分支链长的机制，”他说。“传统上，这真的很难在实验上做到，这就是NREL的用武之地。

使用计算工具，Bharadwaj和Bomble对酶的结构及其生物化学进行了前所未有的详细研究。这项工作揭示了底物如何结合以及在哪里结合的细节，以及GalS1使用什么生物机制来完成这些特定的生化任务。

他们发现GalS1是独一无二的，包含一个特殊的模块，可以与其他酶形成的果胶骨架结合。一旦附着，GalS1将其催化域定位为开始堆叠糖，一个在另一个之上。由此产生的分支 - 由以阿拉伯糖终止的半乳聚糖链组成 - 为所得果胶提供独特的结构和功能。例如，在张力木中观察到大量的半乳糖 - 一种特别擅长风化元素的木材形式。

弯曲的树木能制造出更好的生物燃料吗?

那么，为什么要那么麻烦地理解具有非常特定作用的单一酶呢?根据Bomble的说法，长期目标是能够调整植物细胞壁中的糖浓度，更精确地调整果胶和半纤维素中的糖浓度。

“我们希望能够控制所有不同成分的比例，为木质纤维素材料提供我们想要的特性，”Bomble解释说。

过度表达或修饰GalS1等酶可能会影响细胞壁的性质，改变果胶和其他关键聚合物的化学成分。例如，GalS1可能是参与在植物的关键区域赋予额外灵活性的酶之一，例如易受春季暴风雪影响的树枝。

Bomble说，未来的科学家可能能够修改GalS1，以添加更多的半乳糖，甚至是葡萄糖，这是制造生物燃料过程中所青睐的。

“微生物通常比C6糖(如阿拉伯糖)更容易转化C5糖，如半乳糖，”他说。“最好在植物细胞壁中加入更高浓度的C6糖，以将它们升级为有用的产品。

当然，Bomble和Bharadwaj警告说，有效地修饰酶将需要更多集中的同行评审科学研究。正如Bharadwaj所说，“当你改变C5与C6的比例时，这些植物细胞壁的强度会发生什么变化?我们对此还不够了解。

现在，下次当你看到树枝在风中摇晃或在雪下弯曲时，想想GalS1和实现这一壮举所需的许多其他酶。这些酶可以成为通往可持续生物燃料和生物产品的更有效、更具成本效益的途径的关键。