Таксол — один из самых распространенных химиотерапевтических препаратов. Его используют для лечения рака яичников, груди и легких. Сейчас его получают из тиса: из дерева выделяют предшественник таксола — баккатин III. Но тис растет медленно, и с одного дерева получают ничтожно мало вещества по сравнению с потребностями медицины.

Баккатин III — это химическое соединение, которое тис использует как «полуфабрикат» для производства таксола. Без него синтез лекарства невозможен.

Синтезировать таксол сложно — молекула большая и замысловатая. Поэтому с 1990-х ученые пытаются разобраться, какие ферменты помогают тису его производить. Если выделить эти ферменты, их можно встроить, например, в дрожжи — и те начнут штамповать лекарство в промышленных масштабах.

Без ферментов эту молекулу не собрать, — говорит Коннор Макклун, химик из Стэнфорда. — Они делают реакцию чище и эффективнее.

Теперь Макклун и его коллеги нашли способ заглянуть в генетическую лабораторию тиса. Они выявили несколько ключевых ферментов, участвующих в синтезе таксола. Результаты исследования, опубликованные в издании Nature, приближают момент, когда лекарство смогут производить микроорганизмы. «Таксол — это Святой Грааль в мире растительных биосинтетиков, — говорит Элизабет Саттели, руководитель работы. — Производить его биологическим путем — невероятно перспективно».

Как разгадали загадку тиса

Геном тиса огромен — около 50 000 генов (для сравнения: у кишечной палочки их всего 4000). Ученые долго не могли понять, какие именно гены отвечают за синтез таксола. До этого исследования было известно 12 генов, но до полного понимания пути синтеза было далеко.

Команда из Стэнфорда придумала метод, который помог отсеять лишние ферменты. Они срезали иголки тиса, поместили их в питательную среду и намеренно подвергли стрессу — добавили гормоны и микроорганизмы, заставив иголки вырабатывать защитные вещества, в том числе таксол.

Затем ученые измельчили иголки, выделили около 10 000 клеточных ядер и проанализировали их РНК. Так они увидели, какие гены активировались под действием стресса. Чем больше РНК — тем активнее ген работал. Это помогло выявить группы генов, которые включались одновременно — возможно, они взаимодействовали друг с другом.

Отталкиваясь от 12 уже известных генов, ученые искали те, что могли с ними сотрудничать. Перспективные гены встроили в табак — и проверили, ускоряют ли они синтез таксола.

Что удалось обнаружить

Эксперимент выявил 8 новых генов, критически важных для производства лекарства. Один из них — FoTO1 — особенно важен: он направляет химические реакции в нужное русло. Эти ферменты стали недостающими пазлами для синтеза баккатина III. Более того, табак начал производить баккатина III больше, чем сам тис.

Теоретически, немного доработав систему, мы сможем обойтись без тиса вообще, — говорит Макклун.

Ученые также нашли фермент, который помогает превратить баккатин в таксол. До полного пути синтеза не хватало всего двух шагов. А в апреле датские исследователи как раз опубликовали работу о двух недостающих ферментах. Теперь у науки есть все 22 гена, необходимых для производства таксола.

Что дальше

Следующий шаг — проверить, работают ли два последних фермента в тандеме с остальными 20 генами. Если все сложится, их можно будет встроить в дрожжи — и те превратятся в мини-фабрики по производству таксола.

Но главное — этот метод анализа тысяч клеточных ядер можно применять и к другим растениям. Тис — не единственный загадочный химик в природе. Ученые уже изучают гены обычных сельскохозяйственных культур.

Там полно ферментов, которые делают что-то интересное, — говорит Макклун. — Но мы пока не знаем, что именно.

Если технология масштабируется, это решит сразу несколько проблем:

• Доступность лекарства — сейчас его производство ограничено медленным ростом тиса.
• Снижение цены — биосинтез в дрожжах может быть дешевле, чем выделение из растений.
• Экология — не нужно вырубать редкие деревья.
• Гибкость производства — если потребуется модифицировать молекулу (например, для усиления эффекта), это можно будет сделать через редактирование генов микроорганизмов.

Пока что метод проверен только на табаке — а это не промышленный масштаб. Дрожжи могут вести себя иначе: например, их метаболизм может «засорить» процесс побочными продуктами. Кроме того, даже если все 22 гена работают в растениях, их совместная работа в микроорганизмах потребует тонкой настройки.

Ранее казанские ученые создали ветвящиеся молекулы для борьбы с Альцгеймером.