Научный подход к воссозданию метаболической эволюции у растений

Растения эволюционировали, производя разнообразные соединения, которые варьируются от вида к виду. Эти соединения играют ключевую роль в стратегиях выживания: горькие и ядовитые защищают от поедания насекомыми и животными, а приятно пахнущие или яркие пигменты привлекают насекомых-опылителей.

Некоторые из этих соединений, называемые алкалоидами, имеют медицинское применение благодаря физиологическим эффектам на организм человека. Например, матрин может использоваться как депрессант центральной нервной системы, а гиперзин A — как добавка при лечении болезни Альцгеймера. Эти специфические алкалоиды являются метаболитами, производимыми из аминокислоты лизина у определенных видов растений.

В 2016 году исследовательская группа из Университета Тиба обнаружила, что растения, производящие лизин-производные алкалоиды, обладают особыми ферментами с бифункциональной декарбоксилирующей активностью в отношении орнитина и лизина (лизин/орнитин декарбоксилаза). Эти ферменты эволюционировали в результате микромутации из древнего фермента (орнитин декарбоксилаза), необходимого для производства полиаминов, участвующих в фундаментальных биологических процессах, таких как деление клеток. Эта мутация позволяет ферменту декарбоксилировать и активировать лизин, направляя его в производство алкалоидов.

В статье, опубликованной в Plant Journal 31 июля 2019 года, команды из Университета Тиба, RIKEN и Института исследования ДНК Кадзуса подтвердили, что алкалоиды можно генерировать, вставив ген лизин/орнитин декарбоксилазы из производящего алкалоиды Lupinus angustifolius в Arabidopsis thaliana (A. thaliana) — модельное растение, изначально не обладающее функцией производства алкалоидов. Таким образом, учёные воссоздали метаболическую эволюцию в лаборатории.

Экспрессия введённого гена в A. thaliana привела к продукции кадаверина (1,5-диаминопентана) из лизина, который далее метаболизировался эндогенными ферментами. В результате были образованы новые алкалоид-родственные метаболиты: 5-аминопентаналь, 5-аминопентановая кислота и δ-валеролактам.

Методологическим прорывом стала успешная идентификация этих вновь образованных веществ путём детекции изменений в метаболитах до и после введения гена — сложная задача, учитывая, что растения обычно содержат несколько тысяч метаболитов.

«Мы смогли изменить метаболический поток, манипулируя одним геном в растении, а также идентифицировать, какие алкалоиды генерируются в клетках. Это большой шаг для следующих открытий», — заявила Мами Ямадзаки, доцент Университета Тиба, руководившая экспериментом.

Исследование открывает путь для производства новых, не существующих в природе соединений с помощью генной инженерии растений с разным метаболическим потенциалом. Расширение химического разнообразия — важная задача для разработки лекарств. Команда надеется, что изучение метаболических механизмов с помощью нового метода приведёт к стабильному снабжению медицинскими ингредиентами в ближайшие несколько лет.