Фермент бактериального происхождения способствовал эволюции усачей

Личинки жуков-усачей развиваются преимущественно в древесной ткани, которую большинству организмов трудно переваривать. Однако личинки усачей обладают особыми ферментами для расщепления различных компонентов клеточной стенки растений. Исследователи из Института химической экологии Макса Планка в Йене (Германия) изучили группу пищеварительных ферментов, обнаруженных только в этом семействе жуков. Они восстановили (реконструировали) первичные ферменты, впервые появившиеся у общего предка усачей. Горизонтальный перенос генов от бактерий к жуку, а также древние и недавние дупликации генов способствовали эволюции этого семейства пищеварительных ферментов и позволили усачам расщеплять основные компоненты клеточной стенки растений, составляющие основу их рациона. Исследование опубликовано в Molecular Biology and Evolution.

Личинки усачей играют важную роль в лесных экосистемах, питаясь древесиной мёртвых деревьев и возвращая питательные вещества в природный цикл. Личинки некоторых видов усачей (Cerambycidae) питаются древесиной живых деревьев или развиваются в обработанной древесине, нанося экономический ущерб. Древесина образуется в процессе лигнификации — включения лигнина в клеточную стенку растений. Её основные компоненты — полисахариды целлюлоза и ксилан, а также полимер лигнин, которые большинству организмов трудно разлагать. Как и у листоедов, долгоносиков и короедов, у усачей есть ферменты для расщепления компонентов клеточной стенки.

Некоторые семейства ферментов широко распространены у этих семейств жуков, но ферменты GH5_2 до сих пор находили только у усачей. Команда исследователей задалась вопросом, что в них особенного и почему они есть только у усачей.

"Наши более ранние исследования показали, что по крайней мере у одного подсемейства усачей (плоскоходов) члены семейства ферментов GH5_2 эволюционировали для расщепления не только целлюлозы, но и других полисахаридов, таких как ксилан и ксилоглюкан. Мы хотели выяснить, ограничены ли эти каталитические способности только плоскоходами или это своего рода отличительная черта всех усачей", — говорит руководитель исследования Янник Поше.

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи совместили филогенетический анализ с получением масштабных функциональных данных. Результатом изучения 113 ферментов GH5_2 из 25 видов стало всестороннее исследование эволюционной истории этой группы ферментов у усачей. Учёные обнаружили, что их функция (какие полисахариды они могут расщеплять) зависит от их родственных связей. Все гены стали результатом как минимум четырёх дупликаций генов.

Из сравнительных исследований учёные смогли вывести последовательность гена исходного фермента, впервые появившегося у предка современных усачей после переноса от бактерий. Они успешно экспрессировали его в клеточных культурах и протестировали его активность на ряде важных полисахаридов клеточной стенки растений.

"Эти эксперименты дали важные доказательства того, что этот исходный фермент (целлюлаза) не только расщеплял целлюлозу, но был 'неразборчивым' (promiscuous), то есть также катализировал превращение других субстратов, таких как ксилан и глюкоманнан. Эта способность могла быть предпосылкой для эволюции субстратной специфичности этих ферментов после дупликации генов", — говорит первый автор На Ра Шин.

Неожиданным результатом стало обнаружение фермента, который предпочитает трансгликозилирование (перенос и присоединение сахарной группы) гидролизу (расщеплению реакцией с водой H₂O). "Только обширный скрининг активности ферментов, как мы сделали здесь, позволил обнаружить фермент с такими свойствами", — отмечает На Ра Шин.

Исследование способности насекомых переваривать определённые компоненты растительной пищи показывает, что горизонтальный перенос генов сыграл очень важную роль. "Вс больше доказательств того, что приобретение новых метаболических способностей посредством горизонтального переноса генов имело огромное значение для эволюции многих организмов", — говорит Янник Поше. Усачи — одно из самых крупных и разнообразных семейств жуков. Эволюционный успех более 36 000 видов усачей в мире, безусловно, основан на их способности расщеплять ранее неперевариваемую пищу и тем самым осваивать новые среды обитания.

Систематический подход этого исследования, сочетающий обнаружение последовательностей и функциональную характеристику целого семейства ферментов у набора видов жуков, также является эффективным способом выявления каталитически интересных ферментов для потенциальных биотехнологических применений. Особый интерес здесь представляют ферменты, способные к обратной реакции — переносу и присоединению сахара (трансгликозилированию) вместо расщепления.

"Некоторые олигосахариды обладают терапевтическим потенциалом. Однако их синтез сложен и требует трудоёмких химических методов с низким выходом. Альтернативно можно использовать гликозилтрансферазы, но они очень нестабильны и требуют дорогих субстратов-доноров. Использование ферментов для трансгликозилирования позволяет обойти все эти недостатки. Нашим подходом мы обнаружили природную трансгликозидазу. Это небольшая сенсация", — говорит На Ра Шин.

Для исследователей было бы интересно сделать шаг дальше в понимании важности этих ферментов для биологии усачей. Однако эта работа была бы возможна только с помощью мутантов. "Пока что просто нереально получить мутантов с изменённой ферментативной активностью у этих насекомых, потому что они остаются скрытыми в древесных тканях большую часть жизни, их развитие может длиться до нескольких лет, и их нелегко разводить в лаборатории", — поясняет Янник Поше.