Как проходит биосинтез стрихнина

Исследователи из Йены показывают, как дерево ядовитого ореха образует стрихнин.
Группа ученых из Института химической экологии им. Макса Планка в Йене раскрыла полный биосинтетический путь образования стрихнина в растениях вида Strychnos nux-vomica (ядовитый орех). Выявив все гены, участвующие в биосинтезе стрихнина и других метаболитов, исследователи экспрессировали их в модельном растении Nicotiana benthamiana.

Ядовитое ореховое дерево Strychnos nux-vomica. Авторы и права: Дэнни Кесслер, Институт химической экологии Макса Планка.

Это продемонстрировало, что эти чрезвычайно сложные и фармакологически важные молекулы могут быть синтезированы с использованием методов «метаболической инженерии».

Описание стрихнина

• Стрихнин — это то, о чем многие люди знают из криминальных репортажей, романов или фильмов. Например, несколько жертв Агаты Кристи умерли от отравления стрихнином. В своем первом романе «Таинственное дело в стиле» она описала, вероятно, самое известное вымышленное дело об убийстве, связанном с высокотоксичным алкалоидом, который использовался в качестве крысиного яда. Окончательный ключ к раскрытию дела нашел легендарный сыщик Эркюль Пуаро в своем первом литературном появлении.
• В науке тоже иногда требуется исследовательское чутье и сыскная работа. Ученые под руководством Бенке Хонг и Сары О’Коннор из отдела биосинтеза натуральных продуктов должны были не только найти одно недостающее звено, но и распутать всю цепочку биосинтетических событий, ведущих к образованию стрихнина в ядовитом ореховом дереве. Оставайтесь на языке криминальной литературы, можно сказать: дело раскрыто!
• Роберт Робинсон, химик и лауреат Нобелевской премии, который одним из первых выяснил структуру стрихнина в 1940-х годах, однажды описал этот монотерпеновый индольный алкалоид как самое сложное химическое вещество для его молекулярного размера. Многие химики были заинтригованы архитектурой молекулы стрихнина и разработали способы получения этой молекулы с помощью химического синтеза. Удивительно, однако, что никому еще не удалось определить, как растения производят этот природный продукт.

Сравнение активности генов

Команда Бенке Хонга взялась за эту гигантскую задачу: «Наш ключевой вопрос заключался в том, как найти гены, ответственные за биосинтез стрихнина в ядовитом орехе. В качестве первого шага мы сравнили экспрессию генов (транскриптома) у двух видов одного и того же рода ( Strychnos ), но из которых только ядовитое ореховое дерево производит стрихнин. Мы выбрали гены-кандидаты для каждого шага на основе предложенной химической трансформации, о которой мы не знали, была ли она правильной или нет», — объясняет Бенке Хонг.

Гены биосинтеза стрихнина, предшествующие образованию важного промежуточного соединения (гейсошизин), были полностью выяснены в лекарственном растении Catharanthus roseus (мадагаскарский барвинок), которое также изучается в отделении Сары О’Коннор, и были идентифицированы гомологичные гены в дереве ядовитого ореха.

Химическая логика

Дальнейший прогресс требовал от детектива дара сочетать молекулярные и генетические улики, что ученые называют «химической логикой». «Можно сказать, что открытием генов в нашем исследовании руководила химия. Основываясь на химических структурах и механизмах, каждый этап метаболического пути приводил к предполагаемому химическому превращению. В свою очередь, наши предположения о семействах биосинтетических ферментов с каталитическими функциями были основаны на химической реакции каждого этапа», — сказала Сара О’Коннор, руководитель отдела биосинтеза натуральных продуктов, описывая исследовательский подход.

В качестве доказательства того, что идентифицированные гены несут ответственность за предполагаемые этапы биосинтеза, исследователи модифицировали растения табака (Nicotiana benthamiana) для временного производства ферментов Strychnos. После добавления соответствующих кормовых материалов они исследовали, был ли предполагаемый продукт произведен трансформированным табачным растением. Этот метод позволял одновременно тестировать несколько генов с высокой пропускной способностью, что сокращало время, необходимое для решения головоломки.

Престрихнин превращается в стрихнин

Исследователям не удалось найти соответствующий фермент, который катализирует последнюю стадию биосинтеза стрихнина — превращение престрихнина в стрихнин. Вместо этого они поняли, что это превращение происходит спонтанно, без участия фермента. Как это часто бывает и в детективной работе, и в науке, на помощь пришел случай: «Самопроизвольное превращение престрихнина в стрихнин — случайное открытие. Он требует нескольких промежуточных стадий, и мы изначально думали, что этот процесс должен катализироваться одним или несколькими ферментами. На самом деле мы изучили множество ферментов, но ни один из них не оказался реактивным. Удивительно, но однажды я обнаружил, что образец престрихнина, хранившийся при комнатной температуре на лабораторном столе, со временем медленно превращался в стрихнин», — говорит Бенке Хонг.

Разгадав тайну последнего шага, таким образом, исследователи смогли выяснить полный путь биосинтеза стрихнина, а также родственных молекул бруцина и диаболина. В то время как бруцин также вырабатывается ядовитым орехом, диаболин вырабатывается родственными видами этого рода.Strychnos, который не производит ни стрихнин, ни бруцин. Примечательно, что исследователи также обнаружили, что только одно аминокислотное изменение в одном из биосинтетических ферментов отвечает за разницу в накоплении алкалоидов у ядовитого ореха и других видов Strychnos.

Выяснение биосинтеза растительных метаболитов и биотехнологическое использование генетической основы образования важных с медицинской точки зрения растительных соединений в модельных растениях являются перспективными направлениями исследований. Настоящее исследование открывает новые возможности для производства ранее неизвестных натуральных растительных продуктов с использованием подходов «метаболической инженерии».

Источник

Метки: Биохимия