Растения — настоящие химики, которые используют энергию солнца и углекислый газ из воздуха для создания множества сложных природных соединений. Эти процессы невозможно воспроизвести синтетически в лаборатории.
Настоящий потенциал этой суперсилы только начинает полностью реализовываться благодаря достижениям в сборе геномных данных, искусственному интеллекту и биотехнологии.
Исследователи из группы профессора Энн Осборн FRS в Центре Джона Иннеса использовали эти подходы в новом исследовании, которое открывает будущее быстрого открытия лекарств и природных продуктов.
В статье «Large-scale mining of diverse plant genomes unlocks hidden diversity of oxidosqualene cyclase function», опубликованной в журнале Nature Chemical Biology, они исследовали тритерпены, которые выполняют важные функции в растениях, защищая их от вредителей и патогенов, формируя корневой микробиом и влияя на качество сельскохозяйственных культур.
Тритерпены: источник биоактивных молекул
Тритерпены составляют самую большую и наиболее структурно сложную группу природных соединений растений и являются богатым источником биоактивных молекул, представляющих значительный интерес для медицины и коммерции.
Примеры включают адъювант вакцины QS-21, производимый чилийской мыльной корой Quillaja saponaria, противовоспалительное соединение эсцин из конского каштана и инсектициды, безопасные для пчёл, производимые деревом ниим.
Все тритерпены начинаются с одной и той же химической начальной молекулы и различаются благодаря действиям ферментов, называемых оксидоскваленциклазами (OSCs), которые формируют и складывают исходную молекулу в процессе, подобном химическому оригами.
В этом исследовании группа Осборн поставила цель отследить эти ферменты, лишь малая часть которых была изучена в действии. Они систематически изучили последовательности геномов 599 растений, представляющих почти 400 видов, доступные в виде электронных записей, на наличие генов, кодирующих OSCs.
Из первоначальных 1400 последовательностей генов OSC, обнаруженных и идентифицированных, они выбрали 20 для функциональной проверки. Эти 20 генов были синтезированы с использованием методов молекулярной биологии, а затем перенесены в дикого родственника культивируемого табака, который формирует систему временного выражения на основе растений с высокой урожайностью, впервые разработанную Центром Джона Иннеса и теперь коммерчески продвигаемую партнёрами.
Результаты исследования
Доктор Майкл Стивенсон, соавтор исследования, новый руководитель группы в Университете Восточной Англии и приглашённый учёный в Центре Джона Иннеса, сказал: «Мы были удивлены тем, сколько различных результатов было получено из небольшой выборки наших генов. Почти каждый протестированный ген дал интересный результат, многие из которых открыли потенциальные возможности для дальнейших исследований».
Профессор Энн Осборн FRS, соответствующий автор, сказала: «В настоящее время у нас есть последовательности геномов примерно 1800 видов растений, но это число растёт в геометрической прогрессии. Существует около 450 000 известных видов растений, все из которых, вероятно, будут производить полезные и интересные химические вещества; это только вершина айсберга того, что возможно».
Одним из следующих шагов в этом исследовании является работа с промышленными партнёрами для изучения обнаруженных химических веществ на предмет их потенциала в качестве ведущих соединений или строительных блоков для открытия лекарств. Группа Осборн также использует этот механизм для поиска дополнительных OSCs, чтобы расширить спектр исследуемых ферментов.
Работа также обеспечивает практический доступ к высокосложным структурам, которые невозможно произвести с помощью синтетической химии. «Мы используем силу растений для создания лекарств из солнечного света и воздуха», — заключает доктор Стивенсон.
Предоставлено Центром Джона Иннеса.