De productie van terpenen in planten zit biochemisch anders in elkaar dan gedacht. En nu we dat weten kunnen we serieus gaan werken aan het opvoeren van die productie voor industriële doeleinden, meldt Nature Plants.

Van terpenen (en de nauw verwante terpenoïden) bestaan heel veel varianten, maar ze ontstaan allemaal uit slechts twee isopreen-achtige basisbouwstenen met elk vijf koolstofatomen: isopentenyldifosfaat (IPP, zie de afbeelding) en dimethylallyldifosfaat (DMAPP, met de dubbele binding op een andere plek). Om die te maken heeft de plant de keuze tussen twee metabole routes: de mevalonaatroute (MVA) en de minder belangrijke methylerythritolfosfaatroute (MEP).

Een aantal jaren geleden ontdekte Joseph Noel van het Salk Institute echter dat planten nog een derde mogelijkheid hebben om IPP te maken, en mogelijk ook DMAPP. Die werkt met isopentenylfosfaatkinase-enzymen (IPK’s) die monofosfaten (IP en DMAP, dus) voorzien van een extra fosfaatgroep uit ATP. IPK’s waren eerder alleen bekend uit micro-organismen (archaea) en vreemd genoeg was in planten nergens een metabole route te vinden die van nature zulke monofosfaten produceert.

Samen met Purdue-onderzoeker Natalia Dudareva heeft Noel nu vastgesteld dat die route er ook niet is. De monofosfaten maken deel uit van een regelmechanisme dat voorkomt dat de plant te veel energie vergooit aan de productie van terpenen die hij niet nodig heeft en die eventueel zelfs toxisch kunnen zijn.

Er blijken nog twee andere enzymen bij te zijn betrokken: AtNudx1 en AtNudx3. Dit zijn hydrolases uit de zogeheten Nudix-familie waarover nog maar weinig bekend was. Ze zetten de difosfaten om in monofosfaten, om ze tijdelijk te deactiveren. IPK’s zorgen voor reactivering van de hoeveelheid die nodig is voor terpeenproductie.

Het verklaart de eerdere waarneming dat opvoeren van de IPK-concentratie de MVA- en MEP-routes niet overbodig maakt maar ze juist harder laat werken. De IPK’s zuigen de monofosfaatpool leeg en om die weer aan te vullen trekken de Nudix-enzymen op hun beurt meer difosfaten uit de productielijn. Daardoor verschuiven ook stroomopwaarts diverse evenwichten en stijgt de difosfaatproductie. Uiteraard zijn er meer enzymen die daarvan profiteren, met als eindresultaat meer terpenen.

In de publicatie laten Noel en Dudareva zien dat je de terpenenproductie ook kunt verhogen door de plant te voorzien van een extra gen uit een bacterie waardoor hij ineens wél vers IP kan synthetiseren, op basis van stoffen die hij halverwege aftapt uit de MVA-route. Kennelijk duurt het vrij lang voordat je elders in het metabolisme tegen een limiterende factor aanloopt.

bron: Salk Institute