Сафлор красильный, или как его называют ученые Carthamus tinctorius L., человек выращивает уже больше сорока пяти веков. Все эти годы растение верой и правдой служило людям: сначала как источник яркого красителя, а потом и как надежный лекарь. В народной медицине сафлор всегда занимал особое место, и современная наука подтвердила его силу. Главные целители здесь — флавоноидные гликозиды, и самый известный из них — гидроксисафлоровый желтый А (сокращенно ГСЖА). Именно это вещество помогает при лечении инсультов и сердечных болезней.

Долгое время ученые разбирались в том, как растения создают флавоноиды, на примере классических моделей вроде кукурузы или петунии. Но сафлор оказался сложнее и интереснее. Его уникальные соединения, производные халконов, никак не вписывались в стандартные биохимические схемы. Старые методы поиска нужных генов по принципу сходства с известными видами здесь почти не работали. Чтобы понять, как сафлор создает свои целебные вещества, нужен был совершенно новый подход — системный и очень детальный. И такой подход нашли.

Команда исследователей из Чэндуского университета традиционной китайской медицины провела масштабную работу, результаты которой опубликовали в журнале Horticulture Research. Ученые применили современные методы геномики, чтобы не гадать, а точно определить гены, отвечающие за синтез целебных гликозидов. Они прочесали весь геном сафлора и обнаружили ключевого игрока — фермент под названием CtOGT1. Это гликозилтрансфераза, которая работает исключительно в цветках и собирает сложные молекулы лекарственных соединений.

Гликозилирование — это ключевой биохимический процесс, который можно сравнить с навешиванием бирок или упаковкой товара на складе. Растения часто синтезируют активные вещества, которые сами по себе нестабильны, токсичны для самой клетки или плохо растворяются. Чтобы решить эти проблемы, специальные белки-ферменты (гликозилтрансферазы) прикрепляют к молекуле такого вещества сахарный остаток. Эта операция и называется гликозилированием. В случае с сафлором фермент CtOGT1 вешает сахар на флавоноиды. В результате получается стабильное, растворимое и безопасное соединение — гликозид, которое растение может безопасно хранить в своих клетках, а мы потом используем как лекарство.

Исследование начали с инвентаризации: в геноме сафлора нашли 264 гена семейства цитохромов Р450 и 140 генов семейства УДФ-гликозилтрансфераз. Чтобы не проверять вслепую каждый, ученые посмотрели на их эволюционные связи, строение, расположение на хромосомах и даже изучили «управляющие» участки генов — промоторы, которые включают и выключают их работу. Так отобрали самых перспективных кандидатов.

Дальше подключили мультиомный анализ, то есть сравнили данные транскриптома (какие гены активны) и метаболома (какие вещества накапливаются) в разных тканях сафлора. Картина сложилась четкая: ГСЖА синтезируется только в цветках. И когда посмотрели на активность генов в цветках, один из них, CtOGT1, проявил себя особенно ярко. К тому же он оказался близким родственником известных 7-О-гликозилтрансфераз из других растений.

Но главное — ученые не остановились на теории. Они провели эксперименты: внедрили ген CtOGT1 в табак и в клетки кишечной палочки, чтобы заставить их производить этот фермент. Проверка подтвердила: CtOGT1 отлично работает, присоединяя сахар к молекулам таких флавоноидов, как апигенин или скутелляреин, и превращая их в 7-О-гликозиды. Фермент показал высокую «хватку» к субстрату — значения константы Михаэлиса (Km) колебались от 32,93 до 74,16 мкМ в зависимости от типа флавоноида.

Ведущий автор исследования доктор Цзинь Пей так прокомментировал эту работу:

Это открытие серьезно продвигает наше понимание того, как сафлор создает свои самые сильные целебные соединения. Мы не просто нашли важный ген CtOGT1. Теперь у нас есть конкретный инструмент, чтобы улучшать свойства сафлора с помощью селекции и биотехнологий. А еще наш подход показывает, как можно распутывать сложные биохимические сети и в других лекарственных растениях.

Теперь, когда ключевой фермент известен, перед учеными открываются новые перспективы. Можно заняться метаболической инженерией самого сафлора, чтобы цветки накапливали больше ценных веществ. Ген CtOGT1 может стать мишенью для точной селекции новых сортов, которые дадут более эффективное сырье для сердечно-сосудистых препаратов. Кроме того, метод, который применила команда из Чэнду (полногеномный поиск плюс мультиомный анализ), можно использовать для поиска важных генов и у других хозяйственно ценных растений. А в будущем, возможно, исследователи научатся переносить этот ген в микроорганизмы и получать флавоноидные гликозиды в промышленных масштабах с помощью биотехнологии.

Для науки польза этой работы очевидна: ученые наконец-то заглянули в «черный ящик» обмена веществ сафлора. Раньше они только видели результат (целебное вещество ГСЖА), но не знали, какой именно сборочный цех его производит. Теперь они знают имя главного мастера — фермента CtOGT1. Это как найти единственно нужную шестеренку в огромном часовом механизме. Теперь, зная этот ген, можно изучать, как он включается, что на него влияет, и как он эволюционировал. А главное — этот метод теперь можно применить к любому другому растению, чьи целебные свойства остаются загадкой.

В реальной жизни польза тоже вполне конкретная. Представьте, что фармацевты смогут вывести сорт сафлора, в цветках которого в два раза больше гидроксисафлорового желтого А. Это значит, что для получения нужной дозы лекарства потребуется меньше сырья, а сами таблетки станут эффективнее и доступнее. Либо ученые научатся получать это вещество вообще без сафлора, с помощью бактерий, в которые «пересадят» ген CtOGT1. Тогда производство важных сердечных препаратов станет дешевле и не будет зависеть от урожая, погоды или площадей под посевы.

Несмотря на всю стройность и доказательность исследования, стоит отметить, что работа проводилась в основном в гетерологичных системах (табак и бактерии). Это классический и очень надежный способ проверить функцию гена, но он не всегда на сто процентов отражает то, что происходит в самом сафлоре. Фермент CtOGT1 в цветке сафлора работает не в вакууме, а в сложном окружении других белков, мембран и регуляторных молекул. Возможно, в родной среде у него есть неизвестные партнеры или ингибиторы, которые влияют на его активность. Чтобы окончательно утвердить его центральную роль, не хватает шага с «нокаутом» или редактированием этого гена непосредственно в сафлоре. Если после отключения CtOGT1 растение перестанет синтезировать ГСЖА — это будет финальное, стопроцентное доказательство.

Ранее ученые придумали, как увеличить добычу биодизеля из масличных культур.