Используя модельное цветущее растение Arabidopsis thaliana, исследовательская группа ITbM провела химический скрининг выбранных малых молекул, обнаруженных из химической библиотеки ITbM, и определила две молекулы (CL1 и CL2) со структурой, аналогичной нестероидному противовоспалительному препарату Целекоксиб ©. Хотя CL1 и CL2 увеличивали количество устьиц в листьях растений, они были токсичными для растений при применении в высоких концентрациях.
Воодушевленные эффектом CL1 и CL2, увеличивающим устьица растений, команда разработала структуру молекул, чтобы разработать новые соединения, которые могут увеличить количество устьиц, минимизируя при этом токсичность при воздействии на растение соединений в высоких концентрациях. Команда синтезировала и протестировала небольшие молекулы без трифторметильной (CF3) группы в C3-положении (ZA155) или арильной группы в C5-положении (ZA099) пиразола (5-членный гетероцикл, состоящий из трех атомов углерода и два соседних атома азота) кольцо.
В результате команда обнаружила, что, хотя оба соединения приводили к увеличению числа устьиц, ZA155 приводил к ингибированию роста растения, а ZA099 — нет.
«Я начал это исследование, когда пришел в ITbM в 2015 году», — говорит д-р.
Асраа Зиади, научный сотрудник ITbM, который в основном синтезировал молекулы. "Имея опыт работы в области металлоорганической химии, я хотел заняться чем-то другим, но все же использовать свой опыт."
Команду синтетической химии возглавил профессор Кеничиро Итами, директор центра ITbM, и они разработали методологию быстрого катализируемого палладием арилирования CH, которая позволила бы прямой синтез ряда производных арилпиразола из ZA099 и их соответствующих арилбромидов, в надежда на увеличение количества устьиц без задержки роста. Используя свой новый метод синтеза, они смогли напрямую заменить атом водорода (H), связанный с атомом углерода (C) в пиразольном кольце, различными ароматическими кольцами (функционализация C-H), чтобы провести исследования взаимосвязи структурной активности.
При исследовании влияния синтезированных малых молекул на количество устьиц растений было обнаружено, что хлорсодержащее соединение (ZA139) создает высокую плотность устьиц на листьях, но является чрезвычайно токсичным для растения, что приводит к аномальной форме устьиц.
Поскольку метокси-содержащий ZA143 привел к небольшому увеличению числа устьиц и не был сильно токсичен для растения, группа подумала, что, возможно, аналог сульфонамида ZA160 будет работать лучше. Однако соединение не увеличивало количество устьиц на листьях растений и приводило к задержке роста.
Затем команда обратила свое внимание на синтез и тестирование различных соединений, замещенных анизолом (метоксибензолом), которые могут увеличить количество устьиц, не подавляя рост растений.
Действительно, они смогли идентифицировать орто-анизил-замещенный ZA144, который имеет метоксигруппу в орто-положении, как наиболее эффективную молекулу для увеличения числа устьиц без серьезной токсичности.
«Лучшим моментом этого исследования была постановка биологического эксперимента и наблюдение за увеличением количества устьиц на листьях растений под микроскопом», — описывает Зиади. "Я помню, как думал" мои молекулы сделали это!"; это было прекрасное чувство."
Биологические эксперименты на растениях проводились группой биологов растений под руководством профессора Кейко Тории, главного исследователя ITbM, который также работает в Вашингтонском университете. Зиади тесно сотрудничал с биологом растений Наоюки Учида, доцентом в группе профессора Тории, и рассказывает о проблемах проведения биологических исследований в качестве химика.
«Для меня это было понимание биологии открытия», — говорит Зиади. "Как химик-синтетик, ваша роль обычно заканчивается, когда молекула была синтезирована. Но в ITbM вы увидите, на что способны молекулы. Это действительно интересно!
Меня очень заинтриговала идея синтезировать молекулы, которые могут дать такие визуальные и четкие изменения в растениях."
«Меня всегда удивляло, что каждый раз, когда я рассказывал Асраа о влиянии синтезированных ею молекул на количество устьиц и рост растений, она начинала синтезировать больше молекул с лучшими эффектами в тот же день», — описывает Учида. «Это удивительно быстрое сотрудничество между биологами и химиками было возможно только в такой исследовательской среде, как наш институт, где биологи и химики работают вместе рядом друг с другом. Нам так нравится это сотрудничество."
Ключом к успеху группы в идентификации небольшой молекулы, которая может увеличить количество устьиц растений, была разработка химиками-синтетиками реакции функционализации C-H, которая обеспечивает быструю дериватизацию ароматических колец. Это ускорило исследования в области биологии растений, чтобы получить доступ к ряду биоактивных молекул, которые вызывают желаемое развитие устьиц без подавления роста растений.
Дальнейшие исследования с использованием их биоактивных соединений пиразола могут привести к выяснению механизма, лежащего в основе пиразол-опосредованной дифференцировки устьиц. Это может привести к возможной идентификации и синтезу соединений, которые могут увеличить биомассу за счет устьичного контроля.
«Я узнал, что сотрудничество между биологами и химиками очень мощно, — говорит Зиади. "Вы можете узнать так много вещей и обсудить проект с разных сторон. В моем случае, чтобы лучше понять проект, я начал изучать устьица и различные механизмы, которые могут быть задействованы в их развитии. Это было сложно, но, к счастью, я нахожусь в институте, где меня окружают отличные исследователи из разных дисциплин."