С помощью анализа генома ячменя обыкновенного (Hordéum vulgáre) и гетерологичной экспрессии генов химики из Германии установили, что алкалоид грамин образуется из триптофана при помощи реакции окисления, идущей в присутствии цитохрома P450-зависимой монооксигеназы CYP76M57. Химики назвали этот фермент аминометилиндол синтазой и показали, что в его отсутствие биосинтеза грамина в ячмене не происходит.

Исследование опубликовано в Science.

Эта новость появилась на N + 1 при поддержке ежегодной Национальной премии в области будущих технологий «Вызов». В 2023 году ее присудили за ионный квантовый процессор, магниты из высокотемпературного сверхпроводника, вычислительные устройства на основе поляритонов и оптический транзистор, а также открытия, позволившие создать новые подходы для лечения заболеваний мозга

Грамин — алкалоид, построенный из индольного гетероцикла, соединенного с диметиламиногруппой через один атом углерода. Он содержится во многих злаковых — например, в ячмене — и участвует в защите злаковых культур от насекомых, грибков и вирусов. При этом то, как ячмень и другие злаковые синтезируют грамин, до сих пор в точности неизвестно.

Исходя из ранее проведенных экспериментов с изотопными метками, исходником для биосинтеза грамина в растениях выступает аминокислота триптофан, которая каким-то образом превращается в аминометилиндол. Затем аминометилиндол два раза метилируется по аминогруппе с помощью N-метилтрансферазы.

Выяснить механизм синтеза аминометилиндола из триптофана удалось биохимикам под руководством Якоба Франке (Jakob Franke) из Ганноверского университета.

Они проанализировали геном 20 сортов ячменя и установили, что в геноме ячменя, производящего грамин, всегда присутствуют два гена в одном генном кластере, кодирующих синтез известной N-метилтрансферазы (NMT) и цитохрома CYP76M57. При этом в сортах, не производящих грамин, этих генов не было. Поэтому ученые предположили, что именно цитохром необходим для превращения триптофана в аминометилиндол. Дополнительные эксперименты по нокауту генов в производящем грамин ячмене подтвердили эту гипотезу.

Экспрессия двух ключевых генов и уровни синтеза аминометилиндола и грамина в разных сортах ячменя / Sara Leite Dias et al. / Science, 2024

Далее биохимики провели эксперименты по транзиентной экспрессии NMT и CYP76M57 в табаке Бентхама (Nicotiana benthamiana). С помощью масс-спектрометрии в экстракте модифицированного табака ученые обнаружили и аминометилиндол, и грамин. Их структуры химики дополнительно подтвердили с помощью ЯМР-спектроскопии.

Затем ученые решили изучить механизм реакции синтеза аминометилиндола из триптофана. Для этого они экспрессировали NMT и CYP76M57 в пекарских дрожжах и выделили из них микросомы, синтезирущие аминоиндолсинтазу. За процессом синтеза аминометилиндола из триптофана в микросомах химики следили с помощью масс-спектрометрии экстрактов.

В результате среди продуктов синтеза они обнаружили глиоксиловую кислоту. Кроме того, при добавке к микросомам боргидрида натрия, в масс-спектре экстракта можно было наблюдать продукт восстановления имина аминометилиндола и глиоксиловой кислоты. Так химики показали, что в процессе реакции триптофан претерпевает окислительную перегруппировку в имин, который затем гидролизуется с образованием аминометилиндола и глиоксиловой кислоты.

Предполагаемый механизм окисления триптофана / Sara Leite Dias et al. / Science, 2024

В результате химики обнаружили ген, ответственный за синтез аминометилиндола из триптофана, и частично выяснили механизм этого превращения. Их открытие позволит получать генетически модифицированные организмы, синтезирующие гармин в нужном количестве.