Инженерно сконструированная монолигнольная 4-O-метилтрансфераза подавляет биосинтез лигнина и придаёт Arabidopsis новые метаболические свойства

Хотя белковая инженерия успешно применяется в промышленности для создания биокатализаторов и терапевтических белков, использование аналогичных методов в области метаболической инженерии растений всё ещё находится на начальной стадии. Лигнины представляют собой ароматические природные полимеры, образующиеся в результате окислительной полимеризации преимущественно трёх различных гидроксикоричных спиртов — монолигнолов. Полимеризация лигнина начинается с окисления монолигнолов, за которым следует концевое перекрёстное сочетание (радикалов) монолигнола с растущим олигомером или полимером. Пара-гидроксильная группа каждого монолигнола имеет решающее значение для образования радикалов и последующего сочетания. В настоящей работе описаны структурно-функциональный анализ и каталитическое улучшение искусственной монолигнольной 4-O-метилтрансферазы, созданной с помощью итеративного насыщающего мутагенеза, а также её применение для модификации биосинтеза лигнина и фенилпропаноидов. Мы показали, что экспрессия созданного фермента in planta, приводящая к этерификации пара-гидроксильных групп мономерных предшественников лигнина, лишает образующиеся монолигнолы возможности участвовать в последующем процессе сочетания, существенно снижая лигнификацию и, в конечном счёте, содержание лигнина. Одновременно трансгенные растения накапливали de novo синтезированные растворимые фенольные соединения, метилированные в положении 4-O, и связанные со стенкой эфиры. Снижение уровня лигнина у трансгенных растений приводило к повышению выхода осахаривания. Наше исследование, основанное на структурно-ориентированном подходе к белковой инженерии, предлагает новую стратегию модификации биосинтеза фенилпропаноидов и лигнина для повышения перевариваемости клеточной стенки и расширения набора биологически активных соединений.