植物可以做很多惊人的事情。在他们的才能中，他们可以制造化合物，帮助他们驱除害虫，吸引传粉媒介，治愈感染，并保护自己免受环境中的过度温度，干旱和其他危害。

来自Salk研究所的研究人员研究了植物如何进化这些天然化学物质的能力，揭示了一种名为查尔酮异构酶的酶如何进化，使植物能够生产对其生存至关重要的产品。研究人员希望，这些知识将为制造对人类有益的产品提供信息，包括药物和改良作物。该研究于2019年9月6 日出现在ACS Catalysis的印刷版中。

“由于陆地植物大约在4.5亿年前首次出现在地球上，它们已经开发出一种复杂的代谢系统，可以将大气中的二氧化碳转化为根，芽和种子中的无数天然化学物质，”Salk教授Joseph Noel说道。论文的资深作者。“这是我们过去20年来在实验室中所做的工作的高潮，试图了解植物化学的进化。它为我们提供了详细的知识，了解植物如何发展出这种独特的能力来制造一些非常不寻常但重要的分子。 “

诺埃尔实验室以前的研究着眼于这些酶如何从非酶蛋白进化而来，包括研究出现在细菌和真菌等生物中的更原始的酶。

作为一种酶，查尔酮异构酶作为催化剂加速植物中的化学反应。它还有助于确保植物中制造的化学物质是正确的形式，因为具有相同化学式的分子可以采取两种不同的变体，即彼此的镜像(称为异构体)。

Salk教授Joseph Noel，在他的实验室中拍摄，旁边是一台NMR光谱仪，用于破译分子电子结构的细节。图片来源：Salk Institute

“在制药行业，重要的是所制造的药物是正确的版本或异构体，因为使用错误的药物会导致意想不到的副作用，”Noel说道，他是Salk的Jack H. Skirball化学生物学中心的主任。和蛋白质组学，并持有Arthur和Julie Woodrow主席。“通过研究查尔酮异构酶是如何起作用的，我们可以更多地了解如何加速制造正确的药物异构体和其他可能对人类健康很重要的产品。”

在目前的研究中，研究人员使用了几种结构生物学技术来研究酶的独特形状以及它与其他分子相互作用时其形状如何变化。他们精确定位了查尔酮异构酶结构的一部分，使其能够以极快的速度催化反应，同时确保它能产生适当的生物活性异构体。这些反应导致植物中的大量活动，包括将苯丙氨酸和酪氨酸等初级代谢物转化为称为黄酮类的重要特殊分子。

事实证明，一种特殊的氨基酸，即精氨酸，是查尔酮异构酶中连接在一起的许多氨基酸之一，位于一个由进化形成的位置，使其在查询查尔酮异构酶反应的过程中发挥关键作用。

“通过结构研究和计算机建模，我们可以看到随着反应的进行，精氨酸在酶活性位点内的位置非常精确，”第一作者杰森伯克说，他是诺埃尔实验室的前博士后研究员，现在是加利福尼亚州的助理教授。圣贝纳迪诺州立大学。“如果没有精氨酸，它就不会以同样的方式起作用。”

伯克补充说，有机化学家一直在寻求这种催化剂。“这是大自然已经解决了化学家长期以来一直在关注的问题的一个例子，”他补充道。

“通过了解查尔酮异构酶，我们可以创建一个新的工具集，化学家将能够用于他们正在研究的反应，”诺埃尔说。“拥有这种基础知识能够设计能够执行特定任务的分子系统是至关重要的，即使在下一代能够将温室气体二氧化碳转化为生命必需分子的营养密集作物中也是如此。”