Никотин — химическое вещество, вызывающее привыкание к табачным изделиям, — используется людьми уже более 10 000 лет. Но, несмотря на обилие исследований, ученые так и не поняли до конца, как такие растения, как табак Nicotiana tabacum синтезируют молекулу никотина.
Команда ученых из Центра новых сельскохозяйственных продуктов Йоркского университета (Великобритания) обнаружила недостающие гены и ферменты, необходимые табачным растениям для выработки никотина, а также сумела воссоздать этот процесс в лаборатории и в живых растениях. Результаты опубликованы в Nature Communications.
По словам доктора Бенджамина Личмана из Центра новых сельскохозяйственных продуктов, табачные растения обладают высоким потенциалом как биотехнологическая платформа для производства вакцин и фармацевтических соединений. Однако их широкое применение ограничивается естественным содержанием никотина, который загрязняет целевые продукты и требует дополнительных стадий очистки. Он отметил, что вопрос о механизме синтеза никотина оставался нерешённым с XIX века, с момента его первого выделения из растения в конце 1820-х годов, и нынешний результат закрывает этот пробел.
Ключевым элементом открытия стало выявление «скрытого» биохимического этапа, ранее не учитывавшегося в моделях. Установлено, что на начальной стадии никотин формируется в связанном состоянии с молекулой глюкозы. Такое соединение обеспечивает энергетическую поддержку для последующего объединения строительных блоков молекулы. Однако на финальной стадии глюкозный компонент отделяется, что ранее затрудняло его обнаружение и понимание общей схемы процесса. Именно этот «маскирующий» этап, по мнению исследователей, объясняет, почему разгадка синтеза никотина оставалась недоступной столь длительное время.
Отдельное внимание в работе уделено структурной биохимии. Ученым удалось определить трехмерную структуру двух ключевых ферментов — NaGR и NicGS, которые катализируют отдельные этапы сборки молекулы никотина из более простых предшественников. Исследование подтвердило, что молекула никотина формируется из двух кольцевых структур, возникающих по разным метаболическим путям: одна часть синтезируется из витаминоподобного соединения, другая — из аминокислоты, участвующей в белковом обмене.
С практической точки зрения полученные результаты открывают новые возможности для целенаправленной модификации табачных растений. Ученые отмечают, что никотин можно либо полностью исключать из метаболического пути, либо перенаправлять его биосинтез в сторону получения полезных соединений. Это особенно важно для так называемого «молекулярного сельского хозяйства», где родственные виды табака уже используются для производства терапевтических белков, вакцин и других биофармацевтических продуктов.
Ранее Наука Mail рассказала, что найден ген адаптации растений к засухе и стрессу.
