Биосинтез огромного разнообразия натуральных растительных продуктов для многих интересных с медицинской точки зрения веществ еще не выяснен. В новом исследовании международная группа исследователей смогла показать, как синтезируются алкалоиды ипекакуаны, вещества, используемые в традиционной медицине. Они сравнили два отдаленно родственных вида растений и смогли показать, что, хотя оба вида растений используют сопоставимый химический подход, ферменты, необходимые для синтеза, различаются, и используется разное исходное вещество. Дальнейшие исследования показали, что пути биосинтеза этих сложных химических соединений развивались независимо у обоих видов. Эти результаты помогают обеспечить синтез этих и родственных веществ в более крупных масштабах для медицинского использования.
Выяснение пути биосинтеза алкалоидов ипекакуаны показывает, как два отдаленно родственных вида растений могут независимо вырабатывать одно и то же вещество.
Растения производят огромное количество натуральных продуктов. Многие растительные натуральные продукты имеют специфическое происхождение и встречаются только в определенных семействах растений, а иногда и только в одном виде. Интересно, однако, что одни и те же вещества иногда можно обнаружить и у отдаленно родственных видов. Однако в большинстве случаев известен только конечный продукт, и в значительной степени неясно, как эти вещества производятся в растениях. Алкалоиды ипекакуаны встречаются в двух отдаленно родственных видах растений, известных как лекарственные растения: в ипекакуане Carapichea ipecacuanha, принадлежащем к семейству горечавок, и в алангии шалфейнолистном (Alangium salviifolium), который принадлежит к семейству кизила и известен в аюрведической медицине.
Более ранние исследования уже показали, что оба вида производят алкалоиды ипекакуаны. В частности, экстракт ипекакуаны («сироп ипекакуаны») до 1980-х годов (особенно в Северной Америке) широко использовался только в аптеках и использовался для вызывания рвоты в случаях отравления. Активными рвотными веществами являются цефаелин и эметин, оба являются производными предшественника протоэметина, но как они их производят, было в значительной степени неизвестно. Лишь в двух небольших исследованиях некоторые ферменты были идентифицированы у ипекакуаны, но большинство ферментов были неизвестны, а у Alangium ферменты вообще не были известны.
Для Майте Колинас, первого автора исследования и руководителя проектной группы в отделе биосинтеза натуральных продуктов Института химической экологии Макса Планка в Йене, ключевыми вопросами были: «Последний общий предок этих видов жил более 100 миллионов лет назад, поэтому мы предположили, что эти два вида независимо разработали способы производства алкалоидов ипекакуаны. Ключевой вопрос заключался в том, нашли ли они одинаковые или разные пути получения этих соединений, как химические, так и ферментативные».
Первоначально команда обнаружила, что алкалоиды ипекакуаны в той или иной степени присутствуют во всех тканях растений обоих видов, но гораздо большие количества встречаются в тканях молодых листьев и в подземных органах растений. Путем сравнения тканей с высоким и низким уровнем алкалоидов ипекакуаны были идентифицированы гены, которые могли участвовать в биосинтезе. Дальнейшие испытания и генетическая трансформация модельного растения позволили поэтапно реконструировать путь биосинтеза у обоих видов. Путь таил в себе несколько сюрпризов; вопреки ожиданиям, первый этап биосинтеза, по-видимому, не контролируется ферментом, а происходит спонтанно. Еще одним сюрпризом стало участие необычного фермента. Его трехмерная структура совершенно отличалась от всех других ферментов, катализирующих ту же реакцию, а именно расщепление молекулы сахара. «Этот класс ферментов обычно не участвует в производстве натуральных продуктов.
