ГМ-томаты научились накапливать провитамин D3

Модификация генома томата, которая заблокировала экспрессию 7-дегидрохолестеринредуктазы, привела к накоплению в них провитамина D — 7-дегидрохолестерина. После облучения мутантных плодов ультрафиолетом содержание витамина D₃  в одном спелом красном томате достигло 20 процентов от суточной потребности человека. Исследование опубликовано в журнале Nature Plants.

У многих витаминов есть биохимические предшественники — провитамины. Чтобы стать полноценными, провитамины проходят через ряд биохимических реакций. Так, предшественник витамина D₃ — 7-дегидрохолестерин — при воздействии ультрафиолета превращается в коже в полноценный витамин D₃. Однако продуктов такого синтеза обычно не хватает, чтобы покрыть потребности организма в витамине, поэтому основным источником как провитамина, так и витамина D считается полноценное питание.

На данный момент в мире насчитывается около миллиарда человек, у которых наблюдается недостаточность витамина D, и, как считают эксперты, в будущем это число будет только увеличиваться из-за ограниченного доступа к продуктам питания. Известно, что растения не считаются богатым источником витамина D₃ (в отличие от рыбы или мяса), а грибы и дрожжи способны синтезировать лишь витамин D₂, который обладает меньшей биоактивностью по сравнению с витамином D₃.

Известно, что 7-дегидрохолестерин содержится в листьях томатов, но он не накапливается в них. Он служит промежуточным звеном в образовании стероидных гликоалкалоидов: томатинов в зеленых плодах и эскулеозидов в спелых плодах. Однако тот факт, что для образования этих гликоалкалоидов существует дублирующий путь, в котором принимают участие фитостерол и брассиностероиды, позволяет выдвинуть гипотезу о том, что возможно переключить синтез гликоалкалоидов с метаболизма 7-дегидрохолестерин (тем самым увеличив его накопление) на резервные биохимические пути.

Кэти Мартин (Cathie Martin) из Исследовательского парка Нориджа с коллегами предположила, что если заблокировать фермент 7-дегидрохолестеринредуктазу, который отвечает за превращение 7-дегидрохолестерина в альфа-томатин, то 7-дегидрохолестерин будет накапливаться в листьях и плодах томата. При этом биосинтез фитостерола и брассиностероидов страдать от этого не будет.

С помощью технологии CRISPR-Cas9 ученые отключили ген, который отвечает за экспрессию 7-дегидрохолестеринредуктазы. Снижение активности фермента не отразилось на росте, развитии и урожайности томатов. Также оно не повлияло на метаболизм фитостерола, что подтвердилось одинаковыми уровнями стигмастерола (конечного продукта фитостерольного пути в томате) в листьях генетически не измененного (дикого типа) томата и отредактированных линий.

У растений дикого типа ученые находили 7-дегидрохолестерин только в незрелых зеленых плодах. Снижение активности 7-дегидрохолестеринредуктазы приводило к существенному увеличению уровней 7-дегидрохолестерина как в зеленых плодах, так и в листьях. В зрелых плодах мутантов уровень 7-дегидрохолестерина был ниже, чем в зеленых, однако при действии ультрафиолетового света образовывалось количество витамина D₃ эквивалентное количеству витамина в двух куриных яйцах среднего размера или 28 граммах тунца.

На снимке, сделанном с помощью матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации (MALDI), видно, что в мутантных томатах 7-дегидрохолестерин распределялся как в мякоти, так и в кожуре. Также MALDI-визуализация показала, что уровень альфа-томатина в мутантных зеленых плодах ниже, чем в зеленых плодах растений дикого типа. Такая же ситуация сложилась и с листьями мутантных линий. Кроме того, снижение уровней гликоалкалоидов произошло и в зрелых плодах мутантных растений. Впрочем, снижение содержания альфа-томатина можно считать полезным из-за его токсической активности.

Уровни холестерина в мутантных плодах и листьях были выше, чем в контроле. Ученые предполагают, что блок биосинтеза гликоалкалоидов компенсируется ферментами фитостерольного пути, которые поддерживают выработку холестерина. Это не приводит к значительным компенсаторным изменениям в экспрессии генов, кодирующих ферменты обоих путей, что подтверждается количественной ПЦР с обратной транскрипцией.

Чтобы узнать, насколько хорошо 7-дегидрохолестерин может превращаться в витамин D₃, ученые в течение часа облучали мутантные плоды ультрафиолетом. Больше всего витамина образовалось в листьях: на один грамм сухой массы приходилось 200 микрограмм витамина. В зеленых плодах концентрация витамина достигла 0,3 микрограмма на один грамм сухой массы и 0,2 микрограмма на один грамм сухой массы досталось зрелым красным плодам.

Если считать, что сухая масса помидора среднего размера равна примерно 8-10 граммам, то при тех уровнях витамина D₃, которые образовались в мутантных томатах, один зеленый помидор покрывает 30 процентов суточной нормы витамина, а красный — 20 процентов. Возможно, что концентрацию витамина в спелых фруктах можно увеличить при дополнительном воздействии ультрафиолетового излучения, например, во время сушки на солнце.

Таким образом, ученые считают, что введение таких генномодифицированных томатов в широкое потребление поможет справиться с глобальной проблемой недостаточности витамина D. Кроме того, высокое содержание витамина в листьях мутантных особей делает их потенциальным новым сырьем для производства добавок с витамином D.

Витамин D действительно важный биохимический агент, который участвует в необозримо большом количестве процессов в нашем организме. Однако порой ему пытаются приписать «подвиги», которые на поверку оказываются не заслуженными. Недавно мы рассказывали, что снижение риска инфекции дыхательных путей при ежедневном приеме витамина оказалось не таким и большим, а при депрессии он и вовсе оказался не эффективнее плацебо.

Слава Гоменюк