Расшифровка «невозможной» химии луносемянника меняет представления об эволюции растений
Исследователи из Северо-Восточного университета обнаружили ранее неизвестные аспекты эволюции растений, что имеет важное значение для создания новых жизненно важных лекарств.
Прорыв учёных впервые позволил проследить генетический и молекулярный путь, который прошло растение канадский луносемянник, чтобы выполнять химическую реакцию, ранее считавшуюся для растений невозможной в природе: добавление атома хлора к молекуле.
Результаты, недавно опубликованные в Science Advances, открывают возможности для создания новых, более эффективных методов разработки фармацевтических препаратов.
Работа ставит точку в «молекулярном детективе, который длился миллионы лет», — говорит профессор химии, химической биологии и химической инженерии Цзин-Кэ Вэн, чья лаборатория руководила проектом.
В центре работы исследователей — фермент дехлороакутумина галогеназа (DAH), который помогает луносемяннику производить акутумин. Это соединение позволяет растению защищаться от хищников и болезней.
«У соединения обнаружены действительно интересные лекарственные свойства, — отмечает Вэн. — Оно обладает избирательной активностью по уничтожению раковых клеток при лейкемии, а другие исследования указывают на возможное применение в нейробиологии для регуляции рецепторов GABA при потере памяти».
Как следует из названия, DAH содержит атом галогена (в данном случае хлора), что для растения крайне нетипично. Способность растения добавлять хлор к органической молекуле исключительно редка и ценна: хлор часто используется для повышения эффективности и стабильности лекарств и агрохимикатов.
Ключевой загадкой для команды Вэна было: как именно растение эволюционировало, чтобы приобрести, казалось бы, невозможную способность производить такое галогенированное соединение? Ответ мог бы помочь учёным использовать эволюцию как модель для создания собственных «дизайнерских» ферментов.
Чтобы раскрыть эту эволюционную тайну, исследователи впервые секвенировали весь геном луносемянника. Это дало им генетическую карту для пошагового отслеживания происхождения растения.
Они проследили происхождение DAH до гена, найденного у других растений — флавонолсинтазы (FLS), что стало первым указанием на то, что DAH начался как гораздо более распространённый фермент. Затем они смогли увидеть, как за сотни миллионов лет луносемянник прошёл через постепенную серию дупликаций генов, их потерь и мутаций, достигнув точки, где обычный фермент смог заменить кислород на хлор.
Между FLS и DAH в эволюционной цепочке находятся несколько других нефункциональных мутировавших генов — «эволюционные реликвии».
«Это не один шаг от гена флавоноидов к гену галогеназы — потребовалось несколько этапов», — объясняет Вэн.
Проследив эволюционный путь фермента и определив конкретные мутации, позволившие ему переписать свою собственную химию, команда Вэна попыталась воссоздать этот процесс в лаборатории.
«Нам удалось восстановить около 1–2% активности галогеназы, начав с предкового состояния, — говорит Вэн. — Это означает, что эволюция действительно прошла очень узкий путь, чтобы прийти к этой новой оптимизированной активности».
Открытие команды Вэна может помочь ускорить движение к «дизайнерским ферментам», востребованным в различных отраслях. Ферменты жизненно важны для катализа химических процессов при создании новых лекарств.
«Один из подходов — эволюционировать такие ферменты на основе нашего понимания энзимологии и того, как всё эволюционировало, — говорит Вэн. — Знания, полученные в этом конкретном случае, действительно могут указать нам пути для разработки новых катализаторов для создания новых молекул».