香水化合物合成开关:萜类代谢途径

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香水是许多女性的必需品,轻轻一喷足以改变整个人的气氛,然而,也有不少男性加入喷香水一族。大多香水中添加了许多萜类化合物(terpenoids)的香料,而且它的芳香烃(aromatic hydrocarbons)比例愈大,其香味就愈明显。

近日,美国索尔克研究所(Salk Institute)和普渡大学(Purdue University)的研究团队发现植物的转变会关闭萜类化合物的产生,该研究刊登于《Nature Plants》。

该研究团队 Joseph P. Noel 教授指出,他们之前发现异戊烯磷酸激酶(isopentenyl phosphate kinases, IPKs)能经由 ATP 磷酸化再活化异戊烯基磷酸酯(isopentenyl phosphate, IP),最后形成主要代谢体异戊烯二磷酸(isopentenyl diphosphate, IPP)。简单来说,IPKs 将惰性单磷酸盐萜类化合物结构单元转变为易于使用的二磷酸盐结构单元。此外,IPP 则为类异戊二烯(isoprenoid)/萜类化合物生物合成所必须。

该研究中,他们则是发现 Nudix 超家族水解酶(superfamily hydrolases)亚群会使活性萜二磷酸盐的 IPP 专一性去磷酸化,然后形成惰性单磷酸的 IP。接着,他们也借由在菸草中过度表现的细菌磷酸羟戊酸脱羧酶(methylerythritol phosphate, MPD)增加可利用的代谢 IP,进而显著提升单萜(monoterpene)和倍半萜(sesquiterpene)产量。再来,他们更发现,IP 代谢的变化会经由甲基赤藓糖醇磷酸盐(methylerythritol phosphate, MEP)路径和甲羟戊酸(mevalonate, MVA)路径,导致萜类物质产量的变化。此外,细菌 MPD 的过氧化物酶体(peroxisomal)异常定位,指引他们发现到了一个经由磷酸甲羟戊酸激酶(phosphomevalonate kinase, PMK)催化的反应路径,揭示了典型MVA 路径的一个隐藏的限流因素。

该研究团队表示,该研究从根本上改变人类对植物萜类代谢调控机制的认知,并且提供重要的基础知识,为萜类代谢途径的未来开辟了新的目标。许多植物会生产该化合物,但数量却很少。人类可能需要数百或数千种植物来获得足够的化合物,才能将其应用于香水或制药产业等。然而,这一系列新的意外发现将导致人类能更快、更有效的方式获得足够数量的产品。

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参考资料:
1. Nature Plants, 2018; DOI: 10.1038/s41477-018-0220-z
2. https://www.salk.edu/news-release/a-switch-to-turn-fragrances-on-and-off/

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