追寻植物化学难题的根源

研究生科林·金(ColinKim)自从加入怀特黑德研究所成员Jing-KeWeng的实验室以来，一直在一个让他着迷的科学难题上取得了良好的进展，试图了解香豆素合酶(COSY)，一种植物用来制造农业和药用重要分子的酶，称为香豆素，如何发挥作用。

一系列成功的实验揭示了COSY的许多秘密，但随之而来的是失败的实验。现在，金发现自己处于每个研究科学家都熟悉的境地：他被困住了。在COSY如何工作的拼图中缺少一块，一些他无法识别的微妙化学反应。

为了找到一个可能有助于解决这个难题的想法，Kim开始搜索与香豆素植物生产相关的旧研究论文。科学家们不断参考过去的研究，以了解关于他们的研究主题的已知信息，并寻找他们可能能够应用于自己工作的实验技术。Weng和Kim希望一篇历史论文能够激发这样的灵感。

当Kim阅读2008年的一篇论文时，灯泡时刻发生了，比COSY被发现早了几年。研究人员对木薯根进行了一项奇怪的实验，并做出了惊人的发现;他们的洞察力是金正恩需要的线索吗?亲自执行实验版本很快就会揭示答案。

一个谜题出现了

Kim理解COSY的努力始于2019年，在他加入Weng的实验室后不久，当时实验室的博士后研究员AndrewMitchell向他介绍了该项目。由第一作者RubenVanholme和LisaSundin领导的根特大学的研究人员刚刚发表了他们对这种酶的发现。

酶是促成或加速化学反应的分子，植物已经进化出许多专门的酶，以创造丰富的天然分子产物。由于植物不能移动，它们反而会产生一系列分子，可以对环境做出反应：保护它们免受害虫和食草动物侵害的分子，最大限度地吸收营养，吸引传粉媒介，帮助它们忍受干旱等等。

香豆素是由许多植物产生的一类分子，可以帮助它们从土壤中吸取铁。植物还使用香豆素作为其化学防御的一部分，并帮助调节与微生物的相互作用。香豆素还具有强大的药用特性。它们可用于预防血栓;华法林是一种血液稀释剂，是美国处方最多的药物之一，来源于香豆素。

研究人员曾经认为，植物依靠光促进的自发化学反应，在生产香豆素的过程中实现重要步骤。然后在2019年，Vanholme，Sundin及其同事在模式植物拟南芥中发现了COSY，并发现植物利用这种酶来加速香豆素的产生。

COSY属于称为BAHD酰基转移酶的酶家族，但其活性与其近亲非常不同。其他BAHD吸收两个分子并将它们连接在一起。COSY作用于一个分子，并使其内部发生变化，最终使其形成环形，这是制造香豆素所必需的。COSY使用反式到顺式异构化来做到这一点，这意味着它破坏了两个碳之间的双键-通常是一个非常稳定的化学键，因此需要大量的能量才能断裂-允许化学基团从双键的一侧翻转到另一侧，化学基团用于形成环。

Kim想知道COSY如何能够促进这种独特的化学反应。为了解决这个难题，Kim首先着手更好地了解COSY。

舒适结晶的图片

Kim及其同事使用一种称为结晶的过程来捕获COSY的3D结构和分子组成。乍一看，COSY看起来与其他BAHD酰基转移酶非常相似。它具有相同的整体形状：两个大球体由称为接头环的线状部分连接。只有当研究人员仔细观察活性位点或酶与它们影响的分子相互作用的位置时，COSY的独特之处才会变得明显。

大多数BAHD在其活性位点有两个结合口袋，在那里它们吸收与它们相互作用的两个分子。COSY的一个装订袋已被封锁，只剩下另一个装订袋可用。通过失去结合口袋，COSY适应了对单个分子进行内部更改，而不是连接两个分子。这一发现有助于阐明COSY如何从其他BAHD进化而来：简单的重组使COSY能够脱离其酶亲缘关系并承担全新的功能。

有了晶体结构，Kim接下来想了解COSY实际上如何与它变成香豆素的分子相互作用。他开始系统地突变COSY，消除部分酶，以便看到哪些部分是必要的。然而，Kim最期望必要的部分-组氨酸，一种在其他BAHD中必不可少的氨基酸-结果证明对COSY的功能不是必需的。金被难住了。是时候做一些功课了——阅读旧论文。

过去的暗示

Kim及其同事研究了过去对植物中香豆素合成的研究。也许，即使过去的研究人员不知道COSY的存在，他们仍然确定了香豆素生产的方面，可以为COSY的工作原理提供线索。Kim的搜索使他找到了巴斯大学SoadA.L.Bayoumi及其同事2008年的论文，其中他们发现香豆素在收获后在木薯根中积累。

当时，研究人员认为，在光的推动下，植物中产生香豆素的化学反应是自发发生的。然而，这项工作发现光不是必需的，并得出结论，可能有一种未知的酶在香豆素合成中发挥作用。他们在给含有氘(氢的一种变体)的木薯根分子喂食后得出了这一结论，以确定香豆素的生产是否涉及酸碱化学。

当植物酶进行酸碱化学时，这是无形的，因为酶借用了氢，该氢立即被相同的氢取代。然而，如果研究人员让植物生长使其分子含有氘，那么他们可以看到植物是否用氢代替氘，并知道反应发生了。

通过给木薯根喂食香豆素的含氘前体，Bayoumi等人能够在香豆素合成过程中观察到氘-氢交换。这向他们表明，某种由酶促进的酸碱化学正在发生。Kim确信他们是对的，现在已经发现了推测酶，他可以证实他们的假设。

Kim及其同事根据COSY的晶体结构建立了三种氢/氘实验。这三者都表明，COSY利用其独特的活性位点几何形状借用附近的氢并将其交换到它作用的分子上。COSY过程中的一个看不见的步骤已经变得可见。现在Kim知道COSY使用酸碱化学，他可以弄清楚它是如何工作的。

Kim和麻省理工学院(MIT)化学工程系的合作者使用分子动力学模拟和量子力学建模逐步概述了COSY如何催化其工作的香豆素前体分子的必要变化。

最后，这就是他们所确定的，正如3月<>日发表在NatureCommunications上的那样：COSY吸收一种分子，一种香豆素的前体。它使用酸碱化学，从附近的水分子中借用氢，将前体分子的双键转化为单键。然后，分子可以围绕这个可旋转的单键重新定向到正确的位置以形成环，从而导致香豆素分子的产生。如果没有COSY，反应将通过替代途径自发发生，但速度要慢得多。

COSY的秘密揭示了什么

解决COSY的工作原理可能有助于农业和医学中香豆素产品的生产。它也可能有助于试图设计蛋白质的研究人员，因为他们可以从COSY的结构和机制中学习。但大多数情况下，Weng和Kim认为解决COSY的难题说明了植物进化的美丽和力量。

“所有高等植物都含有COSY，这告诉我们的是自发反应不够快，”Weng说，他也是麻省理工学院生物学副教授。“大自然是严酷的，植物可以通过进化一种新的酶来加速香豆素的产生而获得的一点优势是有益的，以至于不能做到这一点的植物就会灭绝。

“从表面上看，COSY和它的酶亲戚看起来是一样的，但是当你真正放大时，有一些微妙的变化完全改变了酶功能的轨迹，并驱动它在植物中执行这项高度专业化但广泛重要的任务，”Kim说。

如果COSY没有进化出具有独特配置的单一结合口袋，那么它将无法进行复杂的酸碱化学，使含有COSY的植物具有优势。

“活性位点已经进化和重组，允许这种反应以非常复杂和精致的方式发生，”Kim说。“如果我们没有看到导致我们进行氢交换的论文，我们就无法发现这一点。