Для работы проектов iXBT.com нужны файлы cookie и сервисы аналитики. Продолжая посещать сайты проектов вы соглашаетесь с нашей Политикой в отношении файлов cookie Как растения создают лекарства из воздуха и света? Учёные нашли ген, который запускает этот процесс ✦ ИИ Этот пост, предположительно, был создан при помощи искусственного интеллекта Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com 4 часа назад | Статья | Наука и космос 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. Иллюстрация Автор: DC Studio Источник: www.freepik.com 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. a, Два основных пути синтеза тритерпенов — через катионы protosteryl и dammarenyl. Показана их связь с конечными продуктами lanosterol и euphol. b, Примеры структурного разнообразия, которое возникает при расширении E-кольца катиона dammarenyl. Показано, как из общих промежуточных молекул (carbocations) образуются разные финальные структуры. c, Нумерация атомов углерода и обозначение колец, принятые в статье. Красная звездочка на схеме b отмечает катион. Цитирование: Stephenson, M.J., Owen, C., Reed, J. et al. Large-scale mining of plant genomes unlocks the diversity of oxidosqualene cyclases. Nat Chem Biol (2025). https://doi.org/10.1038/s41589-025-02034-8 Автор: Stephenson, M.J., Owen, C., Reed, J. et al. Источник: www.nature.com 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. Сбор данных: взяли 599 полных геномов растений, представляющих 387 различных видов. Это огромный массив генетической информации. 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. 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. Показано общее число ферментов OSC, найденных в геномах разных видов растений, и их предполагаемое разделение на группы. Группы были определены на основе структурного сходства (гомология по pHMM). Отмечены ферменты (OSCs 1-20), которые были отобраны для детального изучения в этой работе (см. Supplementary Table 1 и Supplementary Data 2 в ориг. исследовании). Автор: Stephenson, M.J., Owen, C., Reed, J. et al. Источник: www.nature.com 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. a, Структуры полученных соединений: eupha-7,24-dien-3β-ol (11), euphol (5), tirucallol (7) и tirucalla-7,24-diene-3β-ol (18). b, Компьютерная модель, показывающая наиболее стабильное положение (lowest-energy) молекулы dammarenyl cation внутри фермента OSC9. Отмечены ключевые участки: положительно заряженный атом углерода C20 и аминокислоты, которые заменяли в ходе исследования. (Файлы с данными моделирования доступны в Supplementary Data 5 и 6). c, Результаты анализа (хроматограммы, EICs) продуктов реакции для исходного («дикого типа») фермента OSC9 и его измененных (мутантных) версий. Для удобства сравнения графики отмасштабированы по самому высокому пику. Автор: Stephenson, M.J., Owen, C., Reed, J. et al. Источник: www.nature.com 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. Изображение в превью: Source: https://www.ixbt.com/live/science/kak-rasteniya-sozdayut-lekarstva-iz-vozduha-i-sveta-uchenye-nashli-gen-kotoryy-zapuskaet-etot-process.html