Ученые раскрыли секрет синтеза мощных соединений из ядовитых растений

Два растения, способные вызывать повреждение нервов и паралич даже в крайне малых дозах, могут содержать соединения, ценные для борьбы с болью, малярией, раком и сельскохозяйственными вредителями. Исследователи нашли способ воспроизвести часть этой мощной химии в лабораторных условиях, открывая путь к более устойчивым методам лечения на основе природных продуктов.

Работа, посвященная акониту (волчьему корню) и живокости (дельфиниуму), объединила ученых из Университета штата Мичиган и Академии наук Чехии. Результаты опубликованы в журнале Molecular Plant.

«Эти растения на протяжении тысячелетий использовались в различных формах медицины по всему миру, — рассказал Гаррет Миллер, выпускник MSU, соавтор статьи и ныне доцент биотехнологии в Университете Мичигана-Флинта. — Мы знаем, что они взаимодействуют с нашим организмом множеством способов, и понимание того, как их создавать, может открыть совершенно новые пути для испытаний».

Несмотря на достижения современной науки, растения остаются непревзойденными в производстве сложных природных химических веществ.

«Растения — лучшие химики, совершенствующие свой арсенал природных соединений миллионы лет, чтобы выжить, — отметил Бьорн Хамбергер, автор исследования и профессор кафедры биохимии и молекулярной биологии MSU. — Люди нашли бесчисленное применение этим молекулам в повседневной жизни», — добавила Лана Мутабджия, аспирантка Академии наук Чехии и соавтор статьи. «Это кофеин, капсаицин, ментол и ванилин, не говоря уже о том, что многие современные лекарства либо получены непосредственно из растений, либо вдохновлены их химией».

Лаборатория Хамбергера изучает эти природные вещества, известные как специализированные метаболиты, и исследует возможности их практического применения. Недавно группа сосредоточилась на живокости, также называемой дельфиниумом из-за цветков, похожих на дельфинов. Ученые хотели выяснить, как растение производит дитерпеновые алкалоиды — группу химических веществ, которые высокотоксичны, но могут обладать полезными медицинскими свойствами.

Разгадка этого процесса стала серьезной задачей. Дитерпеновые алкалоиды сочетают признаки двух древнейших и крупнейших групп растительных химических веществ. Их структура настолько сложна, что ученые десятилетиями пытались понять, как растения их строят. Аконитин, одно из самых известных соединений этого семейства, был выделен почти 200 лет назад, но до сих пор его не удалось синтезировать в лаборатории.

Проект получил импульс благодаря неожиданному партнерству. На научной конференции в Барселоне Хамбергер встретил исследователей из лаборатории Томаша Плюскала в Академии наук Чехии. Группа Плюскала, включая Мутабджию, изучала то же сложное семейство дитерпеновых алкалоидов в аконите — ядовитом родственнике живокости, известном также как борец.

«Когда такое случается, мы можем либо пойти своим путем, либо объединиться, и именно объединение всегда приводит к лучшей науке», — сказал Хамбергер.

Объединив усилия, международная команда приступила к определению точной последовательности биохимических шагов, используемых аконитом и живокостью для создания дитерпеновых алкалоидов. Поиск напоминал молекулярную охоту за сокровищами: исследователи изучили несколько видов обоих растений и отследили тысячи генов, выискивая те, которые «включались» в нужных тканях в нужный момент.

«Можно представить биосинтетический путь почти как сборочную линию, — пояснил Миллер, получивший докторскую степень в лаборатории Хамбергера. — Если для создания готового продукта нужно десять последовательных шагов, и один вдруг прекращает работу, следующие шаги невозможны».

Растения обычно производят специализированные метаболиты в очень малых количествах и медленно. Поэтому определение биохимических путей необходимо для производства этих соединений в больших масштабах и применения к реальным задачам. Как только исследователи разгадывают путь, они могут перенести генетические инструкции для создания соединения в модифицированный организм-хозяин, например, в дрожжи. Такая форма биохакинга превращает хозяина в биологическую производственную систему, позволяя производить больше нужного химического вещества для дальнейшего изучения.

«В идеальном сценарии это в конечном итоге может помочь создать новые лекарства, вдохновленные этими природными продуктами», — сказала Мутабджия.

После выявления перспективного набора генов из аконита и живокости исследователи перенесли эти инструкции в растения табака. Табак послужил удобной живой фабрикой для проверки способности генов воспроизводить растительный химический процесс. Анализ показал, что модифицированные растения табака собрали искомый путь: шесть различных ферментов совместно производили атизиний, дитерпеновый алкалоид. Ферменты помогли сформировать молекулу в ее сложную конечную структуру, а также обеспечили добавление важного источника азота, которого исследователи не ожидали.

Определив первые биохимические шаги, необходимые для производства атизиния, команда получила важную отправную точку для изучения более широкого семейства дитерпеновых алкалоидов и их потенциально полезных лекарственных свойств.

«Наше видение — предоставить экологичные, устойчивые инструменты, которые позволят использовать природную силу этих растений», — подчеркнул Хамбергер.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом штата Мичиган.

Garret P. Miller, Lana Mutabdžija-Nedelcheva, Trine B. Andersen, Imani Pascoe, Kathryn Van Winkle, Maryam Sabbaghan, Alexandre Bouillé, Tomáš Iliaš, Andrej Tekel, Tomáš Pluskal, Björn Hamberger. Characterization of the entry steps in diterpenoid alkaloid biosynthesis. Molecular Plant, 2026; DOI: 10.1016/j.molp.2026.05.022