Растения синтезируют огромное разнообразие природных соединений. Многие из этих растительных продуктов уникальны для определенных линий эволюции и обнаруживаются только в конкретных семействах растений, а иногда и вовсе в единственном виде. Однако любопытно, что аналогичные соединения порой встречаются у видов, не состоящих в близком родстве.
Зачастую исследователям известен лишь конечный продукт, в то время как механизмы его образования в растениях остаются в значительной степени неизученными. Алкалоиды ипекакуаны, например, присутствуют в двух отдаленных видах, применяемых в медицине: Carapichea ipecacuanha, принадлежащей к семейству горечавковых, и Alangium salviifolium из семейства кизиловых, известного в аюрведической медицине.
Предыдущие исследования подтвердили способность обоих видов синтезировать эти алкалоиды. Экстракт ипекакуаны, ранее известный как "сироп ипекакуаны", широко использовался в аптеках до 1980-х годов для вызывания рвоты при отравлениях. Активные компоненты этого средства, цефаэлин и эметин, происходят от протоэметина, однако механизм их синтеза долгое время оставался загадкой. Лишь в единичных исследованиях были выявлены некоторые ферменты, участвующие в этом процессе в ипекакуане, а для алангиума ферменты вообще не были известны.
"Учитывая, что последний общий предок этих видов жил более 100 миллионов лет назад, мы предположили, что они независимо развили способность производить алкалоиды ипекакуаны. Ключевым было выяснить, используют ли они одинаковые или различные пути для синтеза этих соединений, как с химической, так и с ферментативной точки зрения", -отмечает Майте Колинас, ведущий автор исследования и руководитель группы в Институте химической экологии Макса Планка.
Первоначально команда обнаружила алкалоиды ипекакуаны во всех тканях обоих видов, но в большей концентрации в молодых листьях и подземных органах. Сравнивая ткани с разным содержанием алкалоидов, ученые выявили гены, потенциально участвующие в биосинтезе. Последующие эксперименты и генетическая трансформация модельного растения позволили шаг за шагом восстановить биосинтетический путь у обоих видов.
Путь оказался неожиданным: первым этапом биосинтеза, вопреки ожиданиям, управляет не фермент, а спонтанная реакция. Другим сюрпризом стало участие необычного фермента с трехмерной структурой, отличной от всех ферментов, катализирующих ту же реакцию – расщепление сахара.
"Этот класс ферментов обычно не участвует в производстве природных соединений, вероятно, поэтому мы идентифицировали его последним", – поясняет Майте Колинас.
Фермент, расщепляющий сахар, обнаруживается в ядре клетки, а субстрат, вероятно, находится в вакуоли. После расщепления сахара образуются высокореактивные и, возможно, токсичные соединения. Разделяя субстрат и фермент в пространстве, растение избегает токсичного накопления этих веществ. Однако, при поедании растения травоядным, клетки разрушаются, фермент и субстрат объединяются, и токсичные вещества образуются в качестве защитных веществ. Подобные системы защиты с пространственным разделением фермента и субстрата известны и для других природных продуктов, таких как глюкозинолаты, сапонины или монотерпеноидные индольные алкалоиды.
Сравнение ферментов, участвующих в биосинтезе у двух видов растений, предполагает, что они независимо друг от друга развили способность производить алкалоиды ипекакуаны. "Поскольку биосинтез алкалоидов ипекакуаны, по-видимому, развивался независимо, этот путь может служить моделью для изучения эволюции путей природных продуктов.
Метаболиты, образующиеся далее по цепи, например, тубулозин в Alangium, обладают интересными фармакологическими эффектами, но их действие недостаточно изучено из-за низкой распространенности. Наше исследование может помочь в будущем производить эти вещества в больших количествах для более детального изучения их фармакологической активности", – объясняет Сара О'Коннор, руководитель отдела биосинтеза натуральных продуктов в Институте химической экологии Макса Планка.
Дальнейшие исследования должны прояснить последние этапы биосинтеза, поскольку полный метаболический путь был продемонстрирован только до центрального промежуточного продукта, протоэметина.
Изображение на обложке: Алангиум шалфейный (Alangium salviifolium) и ипекакуана (Carapichea ipecacuanha ). Эти два растения производят одни и те же вещества независимо друг от друга: алкалоиды ипекакуаны. Источник: eurekalert.org
