水稻是全球超1/3人口的主食，其籽粒碾制后成為大米，為人們提供物質(zhì)能量。但大米的營(yíng)養(yǎng)較單一，富含淀粉但缺乏礦物質(zhì)及維生素。科學(xué)家們通過不懈努力，成功培育出能夠合成輔酶Q10的水稻，其籽粒中輔酶Q10含量可達(dá)每克5微克，這不僅提升了大米的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，也展現(xiàn)了科技在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的巨大潛力。那么，輔酶Q10是什么？這種特殊水稻又是如何誕生的呢？
1. 輔酶Q10是什么？
輔酶Q10，也許這個(gè)名字聽起來有些陌生，但它在我們的身體中扮演著重要的角色。
我們的身體好似一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)工廠，每時(shí)每刻都在進(jìn)行著化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)需要一種叫作“酶”的催化劑來加速進(jìn)行。大多數(shù)酶是由蛋白質(zhì)構(gòu)成的，它們就像催化劑一樣，讓化學(xué)反應(yīng)迅速發(fā)生。
然而，在某些情況下，蛋白質(zhì)可能無法單獨(dú)完成催化過程，這時(shí)就需要一些分子量較小的分子來協(xié)助。這些分子與酶緊密合作，共同完成催化過程。這些分子被稱為“輔酶”。
輔酶Q就是一類重要的輔酶。在真核生物中，輔酶Q主要存在于線粒體中，它幫助細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸，從而生成細(xì)胞代謝能量的“貨幣”——三磷酸腺苷（ATP）。
輔酶Q家族成員的分子結(jié)構(gòu)中都包含一個(gè)醌基，這也是其名稱中“Q”的來源。醌基上連接著一條由多個(gè)異戊二烯單元組成的側(cè)鏈，這條側(cè)鏈形似“尾巴”。不同輔酶Q中的異戊二烯單元數(shù)量各不相同，輔酶Q10就是得名于這條“尾巴”含有10個(gè)異戊二烯單元。類似地，在不同生物中，還存在輔酶Q9、輔酶Q6等。
人體自身能夠合成輔酶Q10，特別是在心臟、肝臟、胰腺等代謝活躍的器官中含量較高。但隨著人體衰老，輔酶Q10的含量會(huì)逐漸減少，這反映了機(jī)體代謝能力的減弱。而從食物中獲取的輔酶Q10，是機(jī)體輔酶Q10的重要補(bǔ)充來源。
動(dòng)物組織中含有較高水平的輔酶Q10，植物中的含量相對(duì)較少。作為主食之一的水稻，本身并不具備合成輔酶Q10的能力。但如果能讓水稻合成輔酶Q10，那么人們通過日常飲食攝入米飯，就能輕松地補(bǔ)充輔酶Q10，這對(duì)于提升大眾健康水平意義重大。
2. 植物輔酶Q類型“大摸底”
科學(xué)家在植物中做了一次“大摸底”，通過檢測(cè)67個(gè)科、134種不同的植物輔酶Q的類型，他們發(fā)現(xiàn)植物中主要存在輔酶Q9和輔酶Q10。
演化史上較早出現(xiàn)的植物，例如石松類、蕨類和裸子植物等，它們體內(nèi)合成的是輔酶Q10。而較晚出現(xiàn)的被子植物，多數(shù)也能合成輔酶Q10。然而，在以西瓜、黃瓜為代表的葫蘆科，以向日葵、生菜為代表的菊科，以及以水稻為代表的禾本科等少數(shù)類群中，合成的則是輔酶Q9。這說明，合成輔酶Q10是被子植物的一個(gè)祖先性狀，而葫蘆科、菊科和禾本科這些合成輔酶Q9的“異類”，其實(shí)是在演化過程中產(chǎn)生的新性狀，這也反映出被子植物演化的多樣性。
3. 找到關(guān)鍵基因
科學(xué)家從分子生物學(xué)和生物化學(xué)的角度，探究了植物合成不同輔酶Q的機(jī)制。在植物中有一種稱為Coq1的酶，用來執(zhí)行輔酶Q分子中異戊二烯側(cè)鏈的合成。在不同植物中，Coq1的氨基酸序列組成存在差異，從而使得一些植物合成輔酶Q10，而另一些則合成輔酶Q9。
通過進(jìn)一步研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，Coq1第240位的氨基酸，對(duì)合成輔酶Q的類型有著決定性作用。在大多數(shù)植物中，具有活性的Coq1在這一位點(diǎn)的氨基酸是亮氨酸；但在水稻中，這一位點(diǎn)則變成了甲硫氨酸。正是這一變化，使得水稻合成的是輔酶Q9而非輔酶Q10。
Coq1的第240位氨基酸附近，是Coq1催化異戊二烯結(jié)合的核心催化位點(diǎn)。在這個(gè)催化位點(diǎn)周邊的氨基酸變化，都會(huì)影響輔酶Q側(cè)鏈的伸長(zhǎng)。由此，科學(xué)家提出了一個(gè)大膽的設(shè)想：如果使用人工手段改造水稻Coq1酶的催化位點(diǎn)，使得它具有合成10個(gè)異戊二烯單元側(cè)鏈的能力，這樣的水稻就能夠合成輔酶Q10了。
4. 精準(zhǔn)編輯，讓水稻合成輔酶Q10
那么，如何精確地改造Coq1的催化位點(diǎn)，又不影響水稻其他酶的功能呢？這時(shí)，號(hào)稱“基因手術(shù)刀”的基因編輯技術(shù)就派上用場(chǎng)了。
基因編輯技術(shù)，能夠讓人們?cè)诓灰胪庠椿虻那闆r下，對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行定點(diǎn)突變、增加或刪除特定DNA片段等操作，從而實(shí)現(xiàn)基因組水平上的精確編輯。
目前，最常用也最成熟的基因編輯手段莫過于CRISPR技術(shù)，即通過在特定位置添加、刪除或改變DNA實(shí)現(xiàn)基因編輯。而在輔酶Q10水稻的創(chuàng)制過程中，科學(xué)家采用了CRISPR技術(shù)的“升級(jí)版本”——一種名為Grand Editing的新型基因編輯技術(shù)。這種編輯技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)更長(zhǎng)DNA片段的編輯。如果說之前的基因編輯技術(shù)是對(duì)“字”和“詞”進(jìn)行修改的話，那么這項(xiàng)新技術(shù)就是可以對(duì)“短語(yǔ)”甚至“句子”進(jìn)行修改。
基因編輯技術(shù)能夠讓人類對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行編輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定 DNA 片段的敲除或加入等的技術(shù)。新型的基因編輯技術(shù)Gfand- Editing 可以支持更長(zhǎng)DNA序列的編輯（供圖/郗旺）
運(yùn)用新型基因編輯技術(shù)，科學(xué)家對(duì)水稻Coq1進(jìn)行了精確的修改，讓它具有了能夠合成10個(gè)異戊二烯側(cè)鏈的能力。由此創(chuàng)制出的水稻也不負(fù)眾望，體內(nèi)的輔酶Q10含量大大提高，而且更驚喜的是，這些能夠合成輔酶Q10的水稻在諸如生長(zhǎng)趨勢(shì)、產(chǎn)量等方面都與沒有改造的水稻相當(dāng)。這更進(jìn)一步證明了基因編輯的準(zhǔn)確性和有效性。
輔酶Q10水稻的誕生，讓傳統(tǒng)的農(nóng)作物具備了更加優(yōu)良的營(yíng)養(yǎng)特性，而更為重要的是，它為農(nóng)作物新品種的精確育種進(jìn)行了富有價(jià)值的實(shí)踐。相信在不久的未來，通過科學(xué)家們的辛勤鉆研，還會(huì)有更多更好的新型農(nóng)作物出現(xiàn)，為國(guó)家糧食安全、人民營(yíng)養(yǎng)健康再創(chuàng)新功。
責(zé)任編輯｜高琳岳煥琦
運(yùn)營(yíng)編輯｜岳煥琦
質(zhì)量審核 | 趙青云 王維嘉
圖文來源 | 《知識(shí)就是力量》雜志《輔酶Q10水稻誕生記》，撰文/郗旺（上海辰山植物園），原創(chuàng)作品轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源。
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