Растения создают невероятное количество природных соединений. Многие из них уникальны и встречаются только в определенных семействах, а иногда — лишь у одного вида. Но бывает и так, что одинаковые вещества находят у совершенно неродственных растений. Чаще всего ученые знают только конечный продукт, а вот как именно он синтезируется — загадка.

Так обстоит дело с алкалоидами ипекакуаны. Они есть у двух далеких друг от друга видов: у ипекакуаны (Carapichea ipecacuanha) из семейства горечавковых и у сальвиелистного алангиума (Alangium salviifolium) из семейства кизиловых, известного в аюрведической медицине. Раньше уже было известно, что оба растения производят эти алкалоиды.

Например, экстракт ипекакуаны ( «сироп ипекакуаны») до 1980-х широко применяли в медицине, особенно в Северной Америке, как рвотное средство при отравлениях. Главные действующие вещества — цефаэлин и эметин, которые образуются из предшественника протоэметина. Но как именно растения их синтезируют, оставалось загадкой. В паре небольших исследований нашли несколько ферментов у ипекакуаны, но большинство оставались неизвестными, а у алангиума их не находили вовсе.

Майте Колинас, ведущий автор исследования и руководитель группы в Институте химической экологии Макса Планка, задалась вопросом:

Последний общий предок этих растений жил больше 100 миллионов лет назад. Мы предположили, что они независимо друг от друга научились производить алкалоиды ипекакуаны. Главный вопрос — использовали ли они одинаковые или разные биохимические пути?

Результаты опубликованы в издании Nature Chemical Biology.

Сначала команда обнаружила, что алкалоиды есть во всех тканях обоих растений, но больше всего их в молодых листьях и подземных органах. Сравнивая ткани с высоким и низким содержанием этих веществ, ученые выявили гены, которые могут участвовать в их синтезе. Дальнейшие эксперименты и генетическая модификация модельного растения позволили шаг за шагом восстановить путь биосинтеза у обоих видов.

И тут начались сюрпризы. Оказалось, что первая реакция происходит спонтанно, без участия ферментов. Еще больше удивил необычный фермент, который отщепляет молекулу сахара. Его трехмерная структура не похожа ни на один известный фермент с такой функцией.

Обычно такие ферменты не участвуют в синтезе природных соединений. Возможно, поэтому мы нашли его последним, — объясняет Майте.

Еще интереснее оказалось пространственное разделение фермента и субстрата. Фермент находится в ядре клетки, а субстрат — в вакуоли. Если бы они контактировали постоянно, растение отравилось бы своими же токсичными промежуточными продуктами. Но когда гусеница начинает грызть лист, клетки разрушаются, фермент и субстрат смешиваются — и ядовитые вещества образуются именно тогда, когда нужны для защиты.

Сравнение ферментов у ипекакуаны и алангиума показало, что их пути биосинтеза развились независимо.

Это делает их отличной моделью для изучения эволюции природных соединений, — говорит Сара О’Коннор, руководитель исследования. — Кроме того, некоторые производные алкалоидов, например тубулозин из алангиума, обладают фармакологическим потенциалом, но их сложно изучать из-за малых количеств. Наше открытие поможет нарабатывать их в лаборатории.

Осталось разобрать последние этапы синтеза — пока путь прослежен только до протоэметина, а как образуются конечные продукты, еще предстоит выяснить.

Это исследование — не просто академический интерес. Оно дает:

• Понимание эволюции биохимических путей — как растения независимо приходят к одним и тем же соединениям.
• Новые ферменты с необычными свойствами, которые могут пригодиться в биотехнологиях.
• Фармакологический потенциал — алкалоиды ипекакуаны и их производные (например, тубулозин) могут стать основой новых лекарств.
• Стратегию защиты растений — принцип разделения фермента и субстрата можно использовать в генной инженерии сельхозкультур.

Главный пробел — не до конца изучен синтез конечных продуктов (эметина и цефаэлина). Без этого нельзя говорить о полном понимании пути. Кроме того, исследование проводили in vitro и на модельных растениях — как все работает в природных условиях, требует проверки.

Ранее ученые сообщили, что продолжительность жизни растений зависит от клеточного резерва.