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
Она оказалась в молекулярном облаке
Астрономы впервые достоверно обнаружили в молекулярном облаке Млечного Пути угольную кислоту. Это первая межзвездная молекула, содержащая три атома кислорода, и третья карбоновая кислота, обнаруженная на данный момент в космосе. Статья опубликована в The Astrophysical Journal. Карбоновые кислоты представляют собой разновидность сложных органических молекул, широко распространены в природе и считаются предшественниками многих важных для существования жизни пребиотических молекул, таких как аминокислоты и липиды. Однако к настоящему моменту в межзвездной среде были достоверно обнаружены лишь два таких соединения — муравьиная и уксусная кислоты. Группа астрономов во главе с Мигелем Санс-Ново (Miguel Sanz-Novo) из Испанского астробиологического центра сообщила, что впервые нашла в межзвездной среде угольную кислоту (HOCOOH). Эта молекула играет важную роль в различных биологических и геохимических процессах, ранее ее наличие предсказывалось для ледяных спутников планет-гигантов, а также Меркурия и Марса. Наблюдения велись за молекулярным облаком G+0.693—0.027, расположенным в направлении центра Млечного Пути, при помощи 40-метрового радиотелескопа Обсерватории Йебеса и 30-метрового радиотелескопа IRAM в период с марта 2021 по март 2022 года и с 1 по 18 февраля 2023 года. Исследователи обнаружили в облаке цис-транс конформер угольной кислоты со значением колонковой плотности 6,4×1012 молекул на квадратный сантиметр. Более стабильный цис-цис конформер угольной кислоты обнаружен не был, предполагается, что он может быть довольно многочисленным в межзвездном пространстве, хотя его практически невозможно обнаружить радиоастрономическими методами. Ученые считают, что угольная кислота способна образовываться в холодных плотных молекулярных облаках на поверхности ледяных пылинок, в ходе реакций между угарным газом и гидроксильным радикалом или в ходе облучения заряженными частицами смесей водяного и углекислотного льдов. Ранее мы рассказывали о том, как комету Виртанена уличили в перевыработке спирта при сближении с Солнцем.