AMES, Iowa - Kelompok-kelompok penelitian dari Iowa State University dan Salk Institute for Biological Studies telah mengungkap fungsi tiga protein nabati, sebuah penemuan yang dapat membantu para ilmuwan tanaman meningkatkan produksi minyak biji pada tanaman, sehingga menguntungkan produksi makanan, bahan kimia yang dapat diperbarui, dan biofuel.
Analisis aktivitas gen (oleh kelompok Iowa) dan penentuan struktur protein (oleh kelompok Salk) diidentifikasi secara independen dalam model tanaman thale cress (Arabidopsis thaliana) tiga protein terkait yang tampaknya terlibat dalam metabolisme asam lemak. Peneliti Iowa dan Salk kemudian bergabung untuk menguji hipotesis ini, menunjukkan peran protein ini dalam mengatur jumlah dan jenis asam lemak yang terakumulasi dalam tanaman. Para peneliti juga menunjukkan bahwa aksi protein sangat sensitif terhadap suhu dan fitur ini dapat memainkan peran penting dalam bagaimana tanaman mengurangi tekanan suhu menggunakan asam lemak.
Area biru pada tanaman selada thale ini menunjukkan di mana satu gen protein pengikat asam lemak diekspresikan, menurut para peneliti Iowa State. Area biru juga sesuai dengan daerah di mana asam lemak tinggi akan disintesis oleh tanaman. Gambar milik Eve Syrkin Wurtele dan Micheline Ngaki.
Penemuan ini dipublikasikan secara online di nature.com, situs web jurnal Nature. Penulis yang sesuai adalah Eve Syrkin Wurtele, seorang profesor genetika, pengembangan dan biologi sel di Iowa State; dan Joseph Noel, seorang profesor dan direktur Pusat Biologi Kimia dan Proteomik Jack H. Skirball di Salk Institute di La Jolla, California, dan seorang penyelidik di Howard Hughes Medical Institute.
"Pekerjaan ini memiliki implikasi besar untuk memodulasi profil asam lemak pada tanaman, yang sangat penting, tidak hanya untuk produksi pangan dan nutrisi yang berkelanjutan tetapi sekarang juga untuk bahan kimia dan bahan bakar yang dapat diperbarui," kata Noel.
"Karena molekul berenergi sangat tinggi seperti asam lemak dibuat di pabrik menggunakan energi matahari, molekul jenis ini pada akhirnya dapat menyediakan sumber yang paling hemat biaya dan efisien untuk produk yang dapat diperbarui," tambah Wurtele.
Meskipun para peneliti sekarang memahami bahwa tiga protein - dijuluki protein pengikat asam lemak satu, dua dan tiga, atau FAP1, FAP2 dan FAP3 - terlibat dalam akumulasi asam lemak dalam jaringan tanaman seperti daun dan biji, Wurtele mengatakan para peneliti masih tidak mengerti mekanisme fisik yang digunakan protein ini pada tingkat molekuler. Pengetahuan itu pada akhirnya akan memungkinkan kedua kelompok penelitian yang berkolaborasi untuk meramalkan fungsi yang lebih baik di pabrik.
Untuk mengidentifikasi fungsi protein pada tanaman, kelompok riset Wurtele menggunakan keahliannya dalam biologi molekuler dan bioinformatika (aplikasi teknologi komputer untuk studi biologi).
Salah satu alat yang digunakan oleh para peneliti Iowa State adalah MetaOmGraph, perangkat lunak yang mereka kembangkan untuk menganalisis sejumlah besar data publik tentang pola aktivitas gen di bawah berbagai perubahan perkembangan, lingkungan, dan genetik. Perangkat lunak itu mengungkapkan bahwa pola ekspresi gen FAP mirip dengan gen yang mengkode enzim sintesis asam lemak. Analisis juga menunjukkan bahwa akumulasi dua protein paling tinggi di daerah tanaman di mana jumlah minyak terbesar dihasilkan. Petunjuk ini mengarahkan para peneliti untuk memprediksi bahwa tiga protein FAP penting untuk akumulasi asam lemak.
Para peneliti Iowa State kemudian menguji teori ini secara eksperimental dengan membandingkan asam lemak dari tanaman mutan yang kekurangan protein FAP dengan yang ada pada tanaman normal. Meskipun penampilan sehat dari tanaman mutan, kandungan asam lemak keseluruhan lebih besar dari pada tanaman normal, dan jenis asam lemak berbeda.
Micheline Ngaki dari Iowa State University, kiri, dan Eve Syrkin Wurtele menganalisis aktivitas gen dari tanaman selada thale untuk mengidentifikasi peran tiga protein nabati dalam mengatur jumlah dan jenis asam lemak pada tanaman. Foto oleh Bob Elbert.
Noel dan peneliti di Salk Institute menggunakan berbagai teknik - termasuk kristalografi sinar-X dan biokimia - untuk mencirikan struktur protein FAP1, FAP2 dan FAP3, dan untuk menentukan bahwa protein mengikat asam lemak.
"Protein tampaknya merupakan mata rantai penting yang hilang dalam metabolisme asam lemak di Arabidopsis, dan kemungkinan melayani fungsi serupa pada spesies tanaman lain karena kami menemukan gen yang sama tersebar di seluruh kerajaan tanaman," kata Ryan Philippe, seorang peneliti pasca-doktoral di lab Noel.
Penulis pertama makalah ini adalah Micheline Ngaki, seorang Sarjana Fulbright dari Kongo dan seorang mahasiswa pascasarjana di bidang genetika, pengembangan dan biologi sel di Iowa State; Gordon Louie, seorang ilmuwan penelitian di Salk Institute; dan Philippe. Kolaborator lain termasuk Ling Li, asisten profesor pembantu Negara Bagian Iowa dan ilmuwan rekanan dalam genetika, pengembangan, dan biologi sel; Gerard Manning, direktur Salk's Razavi Newman Center untuk Bioinformatika; dan Marianne Bowman, Florence Pojer dan Elise Larsen, peneliti Howard Hughes Medical Institute di Pusat Skirball Salk.
Proyek ini didukung sebagian oleh National Science Foundation termasuk Pusat Penelitian Teknik untuk Bahan Kimia Biorenewable yang berbasis di Iowa State, National Cancer Institute, Howard Hughes Medical Institute dan Ngaki's Fulbright award. Dukungan tambahan datang dari Institut Ilmu Tanaman Negara Iowa.
Penemuan hubungan antara protein FAP dan asam lemak nabati bisa sangat berguna bagi para ilmuwan tanaman.
"Jika para peneliti dapat memahami dengan tepat apa peran protein dalam produksi minyak biji," kata Ngaki, "mereka mungkin dapat memodifikasi aktivitas protein dalam galur tanaman baru yang menghasilkan lebih banyak minyak atau minyak berkualitas lebih tinggi daripada tanaman saat ini."
Lebih lanjut, jika ketiga protein membantu tanaman mengatur stres, ilmuwan tanaman mungkin dapat mengeksploitasi sifat itu untuk mengembangkan tanaman yang lebih tahan terhadap stres, kata Wurtele. Dan itu bisa memungkinkan petani menanam tanaman untuk bahan bakar bio-terbarukan dan bahan kimia di lahan marginal yang tidak cocok untuk tanaman pangan.
Semua ini, katanya, dapat menunjukkan arah baru dalam studi biologi.
"Kami memasuki usia biologi prediksi," kata Wurtele. "Itu berarti memanfaatkan pendekatan komputasi untuk mendeduksi fungsi gen, memodelkan proses biologis dan memprediksi konsekuensi mengubah gen tunggal ke jaringan biologis kompleks suatu organisme."
Diterbitkan ulang dengan izin dari Iowa State University.