Как растения создают лекарства из воздуха и света? Учёные нашли ген, который запускает этот процесс

Растения — это химические фабрики. Миллионы лет они ведут непрерывную гонку вооружений с вредителями, болезнями и меняющейся средой. Их оружие — арсенал органических соединений. Одно из самых многочисленных и важных семейств в этом арсенале — тритерпены.

Звучит незнакомо, но вы с ними точно знакомы. Стероиды, холестерин, противовоспалительное вещество из конского каштана (эсцин) и даже компонент современных вакцин QS-21 — все это представители мира тритерпенов. Это класс молекул с каркасом из 30 атомов углерода, обладающих огромным структурным разнообразием. Растениям они нужны для защиты, гормональной регуляции и построения клеточных мембран. Нам — для медицины и промышленности.

Проблема в том, что природа создала десятки тысяч таких соединений, но как именно она их производит, оставалось загадкой. Мы знали о существовании более 200 базовых структурных каркасов для тритерпенов, но ферменты — молекулярные машины, которые их строят, — были известны лишь для 60 из них. Остальные 140 были «сиротами»: продукт есть, а его создатель не найден. В новом исследовании ученые перестали искать молекулы в пробирке и начали искать их чертежи прямо в ДНК.

Что такое фермент-архитектор?

Сначала нужно познакомиться с главным героем — ферментом под названием оксидоскваленциклаза, или сокращенно OSC. Это и есть тот самый молекулярный архитектор.

Есть длинная, гибкая углеродная цепь — молекула 2,3-оксидосквалена. Это универсальная заготовка. Фермент OSC захватывает эту заготовку и сворачивает ее в строго определенную трехмерную конформацию. Затем, он запускает каскад химических реакций, который проносится по свернутой молекуле, формируя кольца, мостики и связи. Прямая линия за доли секунды превращается в жесткую, объемную структуру.

Вся суть — в сворачивании. От того, как именно OSC сложит исходную молекулу, зависит конечный результат. Существуют две фундаментальные складки, которые определяют всю дальнейшую химию. Это разделение порождает очень большое разнообразие конечных продуктов. Один и тот же исходный материал, но разные ферменты-архитекторы OSC — и на выходе получаются совершенно разные молекулы с разными свойствами.

Карта сокровищ в масштабе генома

Как же найти эти ферменты среди десятков тысяч генов в геноме растения? Традиционный подход — долгий и трудоемкий. Но авторы исследования пошли другим путем — путем больших данных.

Они создали вычислительный конвейер для просеивания геномов.

1. Сбор данных: взяли 599 полных геномов растений, представляющих 387 различных видов. Это огромный массив генетической информации.
2. Создание макета: у них уже были последовательности ДНК известных OSC. На их основе они создали цифровой профиль, который описывает, как должен выглядеть ген, кодирующий этот фермент.
3. Масштабный поиск: этот макет был применен ко всем 599 геномам. Программа сканировала миллиарды букв генетического кода в поисках участков, соответствующих профилю OSC.

Было найдено 1405 высококачественных генов-кандидатов. Чтобы разобраться, ученые построили филогенетическое древо всех этих ферментов. Оно показало, какие OSC эволюционно близки, а какие представляют собой совершенно новые, неизведанные ветви. Именно на отдаленные ветви и было направлено основное внимание.

От кода к химии: что показали эксперименты?

Найти ген — это только полдела. Нужно доказать, что он действительно работает и производит то, что от него ожидают. Для этого исследователи выбрали 20 самых заинтересовавших генов-кандидатов из разных уголков филогенетического древа.

Они синтезировали ДНК этих генов и вставили их в растение-лабораторию Nicotiana benthamiana (родственник табака). Это растение легко поддается генетическим модификациям и может быстро произвести нужный фермент.

И это сработало. 16 из 20 ферментов оказались функциональными. Они произвели в общей сложности 41 различное соединение, из которых 22 были совершенно новыми для науки.

Два примера ферментативной точности

Среди 16 успешных кандидатов два примера особенно хорошо демонстрируют работоспособность этого подхода.

1. OSC16 из каланхоэ: Этот фермент производил не один, а сразу 13 разных продуктов. Два основных из них — названные каланхоеол и спирокаланхоеол — обладали структурой, для создания которой требуется крайне редкая химическая реакция.

2. OSC9 из ипомеи (вьюнка): Этот фермент стал ключом к пониманию контроля. Он производил два очень похожих, но все же разных типа молекул. Ученые предположили, что за этот выбор отвечают конкретные аминокислоты в активном центре фермента — в том месте, где и происходит вся химия. С помощью методов молекулярного моделирования и генной инженерии они начали заменять эти аминокислоты одну за другой. Замена всего одной-двух аминокислот в гигантской белковой молекуле кардинально меняла соотношение продуктов. Ученые научились переключать фермент с производства одной молекулы на другую.

Вместо того чтобы перебирать тысячи растений в надежде найти что-то ценное, мы теперь можем целенаправленно искать генетические инструкции по созданию этих веществ.