Биологи впервые определили природный путь синтеза кокаина и перенесли соответствующие гены в растения табака, «научив» их производить небольшие количества наркотика.
Кокаин – опасный наркотик, который выделяют из листьев коки. При этом набор химических реакций, с помощью которых растение производит его, до сих пор был полностью неизвестен. Определить последние шаги биосинтеза кокаина удалось команде китайских ученых из Куньминского института ботаники, – и помогли им другие «природные производители» наркотиков, растения табака. Статья об этом опубликована в Journal of the American Chemical Society.
Еще в далеком прошлом жители Южной Америки обнаружили, что растения рода Erythroxylum производят алкалоиды, которые оказывают стимулирующее и наркотическое действие. Ключевое из этих веществ, кокаин был выделен учеными в середине XIX века. Долгое время он широко использовался в качестве медицинского средства и стимулятора, однако из-за привыкания и других негативных последствий для здоровья оказался внесен в перечень запрещенных веществ и стал нелегальным.
Сегодня кокаин законно производится в очень ограниченных количествах и под строжайшим контролем, исключительно в медицинских и научных целях. Существуют методы, позволяющие синтезировать вещество «с нуля» и, конечно, экстрагировать его из листьев кокаинового куста. Однако путь образования кокаина в самих растениях до сих пор был определен не полностью. Ранее его удалось проследить до промежуточного соединения, производного оксибутановой кислоты МРОА, однако финальные шаги превращения МРОА в кокаин оставались неясными. Выяснить их удалось лишь теперь.
На финальных этапах молекулы МРОА должны проходить через реакции метилирования и окислительной циклизации. Поэтому ученые во главе с Шэн-Сюн Хуаном (Sheng-Xiong Huang) исследовали ДНК кокаинового куста, чтобы определить участки, которые кодируют белки, катализирующие соотвествующие реакции: метилазы и оксидазы. Самые переспективные гены они переносили в табак Бентхама (Nicotiana benthamiana) – популярный модельный организм для изучения физиологии растений.
Оценивая производительность различных пар ферментов, авторы заключили, что самым эффективным сочетанием оказалась оксидаза EnCYP81AN15 и метилаза EnMT4. Под действием первого белка МРОА циклизуется, под действием второго присоединяет метильную группу, приводя к появлению кокаина. Листья такого ГМ-табака содержали до 400 нанограммов наркотика на миллиграмм высушенной массы, что составляет менее пяти процентов от содержащегося в листьях кокаинового куста.
Теперь, когда полный путь биосинтеза кокаина установлен, соответствующие гены можно будет перенести в бактерии, чтобы получать вещество в нужных для медицины и науки количествах. При этом ученые подчеркивают, что их работа не принесет никакой пользы нелегальному бизнесу, связанному с наркотиками. По их словам, производство кокаина традиционным путем, из листьев коки, намного проще и дешевле, и ГМ-бактерии вряд ли окажутся привлекательными для наркокартелей.