Химики разгадали путь биосинтеза стрихнина и воспроизвели его в табаке

Биохимики из Германии выяснили, как в чилибухе Strychnos nux-vomica происходит биосинтез стрихнина и его аналогов. Ученые открыли 9 ферментов, ответственных за реакции биосинтеза, и полностью воспроизвели открытый путь синтеза в табаке Бентхама Nicotiana benthamiana. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Стрихнин — токсичный алкалоид, который впервые обнаружили в 1818 году в семенах чилибухи и стали использовать в народной медицине. А когда в 1946 году химики разгадали его структуру, он стал одной из главной целей органиков-синтетиков XX века. В результате попыток его синтеза ученые открыли много новых важных для органической химии превращений.

И хотя химики научились синтезировать стрихнин, как его производят растения, ученым до сих пор неизвестно. На основе экспериментов с изотопными метками удалось установить, что один из исходников для биосинтеза — аминокислота триптофан, а одно из промежуточных соединений на пути синтеза — альдегид Виланда — Гумлиха, напоминающий стрихнин по структуре. Но как именно образуется альдегид, и как он затем превращается в стрихнин, ученые не знали до сих пор.

Химики под руководством Сары О’Коннор (Sarah O'Connor) из Института химической экологии общества Макса Планка взялись за эту проблему и смогли выяснить, как происходит биосинтез стрихнина. Для исследований они взяли образцы чилибухи Strychnos nux-vomica, которая производит стрихнин, стрихноса Strychnos sp., который производит аналоги стрихнина, и катарантус Catharanthus roseus. Далее биохимики анализировали геном трех растений.

Проанализировав сходства генома чилибухи с геномом катарантуса Catharanthus roseus, ученые смогли найти у чилибухи гены, ответственные за синтез ферментов для одного из первых превращений на пути синтеза — реакции триптофана с геранилпирофосфатом.

Биохимики знали, что в катарантусе происходит биосинтез молекул аккуамицина, похожего по структуре на альдегид Виланда — Гумлиха, причем в синтезе участвует фермент оксидаза, нужный для реакции деформилирования. И в процессе поиска схожих ферментов в транскриптоме чилибухи химики обнаружили оксидазу с 46 процентами совпадающих аминокислот. Чтобы подтвердить, что именно с помощью нее происходит синтез аккуамицина, ученые экспрессировали гены, ответственные за синтез оксидазы, в листьях табака Бентхама Nicotiana benthamiana. В масс-спектрах экстрактов из листьев табака химики, как они и ожидали, обнаружили промежуточный продукт биосинтеза стрихнина аккуамицин.

Еще несколько стадий синтеза химики разгадали с помощью перебора разных генов, которые они экспрессировали в листьях табака. В результате им удалось понять, как образуется альдегид Виланда — Гумлиха. А чтобы разгадать последние стадии синтеза, ученые сравнивали геном чилибухи с геномом стрихноса Strychnos sp., который производит не стрихнин, а его аналог диаболин. С помощью анализа генома и последующей экспрессии нужных генов в листьях табака химики смогли выяснить, что стрихнин образуется из альдегида в результате реакций ацилирования и декарбоксилирования, а аналог стрихнина бруцин получается из самого стрихнина в четыре стадии.

В результате химики смогли разгадать синтетический путь биосинтеза стрихнина и его структурных аналогов бруцина и диаболина, а также искусственно воспроизвести этот путь синтеза в табаке. Теперь стало известно, как растения производят очень сложные по структуре алкалоиды.

О том, какие еще яды производит природа, можно прочитать в нашем материале «Парад отравителей».

Михаил Бойм