Две растения - ралица (делфиниум) и самакитка (аконитум), способни да причинят увреждане на нервната система и парализа дори при изключително ниски дози, могат същевременно да съдържат съединения с ценно приложение за лечението на болка, малария и рак, както и за борба със селскостопанските вредители, пише „Сайънс дейли".
Изследователи от САЩ и Чехия вече са открили начин да възпроизведат част от тези мощни химични вещества в лабораторни условия, което разкрива възможен път към по-устойчиви методи на лечение, базирани на природни продукти.
В настоящото изследване специалистите от Университета на Мичиган и Чешката академия на науките са идентифицирали първите етапи в биосинтеза на мощни дитерпеноидни алкалоиди, произвеждани от двете растения.
Чрез възпроизвеждане на част от системата на двете растения за химичен синтез в тютюневи растения, екипите са създали биологична платформа, способна да произвежда едно от тези сложни съединения в лабораторни условия.
Постижението, описано в сп. Molecular Plant, може да промени начина, по който учените изследват група природни съединения, свързани с облекчаване на болката, борбата с маларията и вредителите и изследванията в областта на рака.
Въпреки че тези молекули са обект на научен интерес от близо два века, сложните им структури и необичайната им химия ги правят изключително трудни за синтезиране. Един от най-известните примери - аконитинът, е изолиран преди почти 200 години, но възпроизвеждането му чрез конвенционални лабораторни методи остава сериозно предизвикателство.
Ралицата и самакитката спадат към група растения, които произвеждат дитерпеноидни алкалоиди като химическа защита. Тези специализирани метаболити са изградени от богати на въглерод дитерпеноидни рамки и съдържат азот - характеристика, която придава на много от тях мощна биологична активност.
Същите молекулярни свойства, които правят съединенията опасни, могат да ги превърнат в ценни отправни точки за откриване на лекарства, при условие че изследователите могат да разберат тяхната активност и да контролират производството им.
„Растенията са най-добрите химици", казва изследователят Бьорн Хамбергер от Университета на Мичиган. В хода на милиони години еволюция растенията са развили ензими, способни да сглобяват, модифицират и преобразуват молекули с изключителна прецизност. Учените все по-често изучават тези природни процеси не само, за да разберат биологията на растенията, но и за да ги адаптират за устойчиво производство на важни от медицинска гледна точка съединения.
И двете групи са изследвали дитерпеноидни алкалоиди, но при различни растителни видове. Екипът от Университета на Мичиган се е съсредоточил върху ралицата, докато чешките изследователи са проучили самакитката. Общият им интерес е позволил на изследователите да сравнят сродни биохимични системи и да търсят общи молекулни механизми.
За да разкрият този метаболитен път, учените са изследвали няколко вида ралица и самакитка и са анализирали генната активност в различни растителни тъкани. Целта им е била да идентифицират гени, които се активират в точното време и на точното място за производството на алкалоиди.
В крайна сметка екипът е идентифицирал набор от гени, кодиращи шест ензима, чиито функции досега не са били описани. Тези ензими осъществяват началните етапи, необходими за синтеза на дитерпеноиден алкалоид, наречен атизин.
Вместо просто да свързват малки молекули, ензимите насочват формиращото се съединение през поредица от прецизни структурни промени. Те помагат на молекулата да се сгъне в сложна триизмерна конфигурация и позволяват включването на важен източник на азот - неочаквана характеристика, която се е оказала от решаващо значение за разбирането на този биохимичен път.
За да проверят дали генетичният план работи, учените са прехвърлили подбраните гени в тютюневи растения. Тютюнът е послужил като жива биофабрика, използвайки собствения си клетъчен механизъм за производството на въведените ензими.
След като модифицираните растения са започнали да синтезират целевите химични съединения, изследователите са анализирали молекулярния им състав и са потвърдили, че системата от шест ензима може успешно да генерира атизин. Полученият резултат е предоставил експериментални доказателства, свързващи конкретни гени с най-ранните етапи на биосинтеза на дитерпеноидни алкалоиди.
Постижението все още не води до създаването на готов лекарствен продукт, а самите съединения остават силно токсични. Въпреки това постигнатият успех предоставя на изследователите нов подход за изучаване на по-широката група алкалоиди, без да се разчита изключително на диворастящи растения или на сложен химичен синтез.
В бъдеще подобни метаболитни пътища могат да бъдат прехвърляни и в други растения или генетично модифицирани организми, способни да произвеждат по-големи и по-постоянни количества от тези вещества. Подобни системи могат да улеснят тестовете за токсичност, структурните модификации и търсенето на терапевтични ефекти, като същевременно намалят натиска върху редките или бавнорастящи растителни източници.