Растения производят огромное количество натуральных продуктов
Многие натуральные продукты растений специфичны для их происхождения и встречаются только в определённых семействах растений, иногда только у одного вида. Интересно, что одни и те же вещества иногда можно найти у отдалённо родственных видов.
В большинстве случаев известен только конечный продукт, и во многом неясно, как эти вещества производятся в растениях.
Алкалоиды ипекакуаны встречаются у двух отдалённо родственных видов растений, известных как лекарственные растения
Алкалоиды ипекакуаны встречаются у двух отдалённо родственных видов растений, известных как лекарственные растения: в ипекакуане (Carapichea ipecacuanha), которая принадлежит к семейству горечавковых, и у алангium с шалфеевидными листьями (Alangium salviifolium), которое принадлежит к семейству кизиловых и известно по аюрведической медицине.
Ранее исследования уже показали, что оба вида производят алкалоиды ипекакуаны. В частности, экстракт ипекакуаны («сироп ипекакуаны») до 1980-х годов (особенно в Северной Америке) широко использовался в аптеках как лекарство, вызывающее рвоту при отравлениях.
Активные рвотные вещества — цефаелин и эметин, которые происходят от предшественника протоэметина, но было неизвестно, как они их производят
Активными рвотными веществами являются цефаелин и эметин, которые происходят от предшественника протоэметина, но было неизвестно, как они их производят. Только в двух небольших исследованиях были идентифицированы некоторые ферменты в ипекакуане, но большинство ферментов были неизвестны, а в алангium вовсе не были известны.
Майте Колинас, первый автор исследования, опубликованного в Nature Chemical Biology, и руководитель проектной группы в отделе биосинтеза натуральных продуктов в Институте химической экологии Общества Макса Планка в Йене, сказала: «Последний общий предок этих видов жил более 100 миллионов лет назад, поэтому мы предположили, что два вида независимо разработали способы производства алкалоидов ипекакуаны».
Ключевой вопрос заключался в том, нашли ли они одинаковые или разные пути для производства этих соединений, как химически, так и ферментативно.
Изначально команда обнаружила, что алкалоиды ипекакуаны присутствуют в некоторой степени во всех тканях растений обоих видов, но гораздо большее количество содержится в молодых тканях листьев и в подземных органах растений. Сравнивая ткани с высоким и низким уровнем алкалоидов ипекакуаны, были идентифицированы гены, которые могут быть вовлечены в биосинтез.
Дальнейшие тесты и генетическая трансформация модельного растения позволили поэтапно реконструировать путь биосинтеза в обоих видах. Путь биосинтеза преподнёс несколько сюрпризов; вопреки ожиданиям, первый шаг в биосинтезе, по-видимому, не контролируется ферментом, а происходит спонтанно.
Ещё одним сюрпризом стало участие необычного фермента. Его трёхмерная структура полностью отличалась от всех других ферментов, которые катализируют ту же реакцию, а именно расщепление молекулы сахара.
«Этот класс ферментов обычно не участвует в производстве натуральных продуктов. Вероятно, это также причина, по которой это был последний фермент, который мы идентифицировали в этом исследовании», — сообщает Майте Колинас.
Интересно, что фермент, расщепляющий сахар, был обнаружен в ядре клетки, в то время как субстрат, как считается, находится в вакуоли. После расщепления сахара вещества становятся высокореактивными и, следовательно, могут быть токсичными. Пространственное разделение субстрата и фермента позволяет растению избежать предполагаемого токсического накопления этих токсичных соединений.
Однако, если травоядное животное, такое как гусеница, съедает растение, клетки разрушаются, фермент и субстрат соединяются, и токсичные вещества образуются только в качестве защитных веществ, когда они необходимы. Подобные защитные системы с пространственным разделением фермента и субстрата уже были описаны для других натуральных продуктов, например, для глюкозинолатов, сапонинов или монотерпеноидных индольных алкалоидов.
Растения неоднократно используют одни и те же защитные механизмы и используют химически совершенно разные соединения.
Сравнение ферментов, участвующих в биосинтезе двух видов растений, позволяет предположить, что они независимо развили производство одной и той же группы алкалоидов в ходе эволюции.
«Поскольку биосинтез алкалоидов ипекакуаны, по-видимому, развивался независимо, этот путь может служить моделью для исследований эволюции путей биосинтеза натуральных продуктов», — сказала Сара О’Коннор, руководитель отдела биосинтеза натуральных продуктов в Институте химической экологии Общества Макса Планка.
«Вторичные метаболиты, особенно в алангium (например, тубулозин), также обладают интересными фармакологическими эффектами, но их специфическое действие недостаточно изучено из-за их низкой распространённости. Поэтому наши исследования могут помочь производить эти вещества в больших количествах в будущем, чтобы их фармакологическая активность могла быть изучена более подробно».
В дальнейшей работе предстоит выяснить окончательные этапы биосинтеза, поскольку до сих пор весь метаболический путь был продемонстрирован только до центрального промежуточного протоэметина, но шаги до конечных продуктов всё ещё отсутствуют.