Кокаин, никотин, капсаицин.
Это всего лишь три известных примера из сотен тысяч малых молекул (также называемых специализированными или вторичными метаболитами), которые растения используют в качестве химических боеприпасов для защиты от хищников.
К сожалению, идентификация сетей генов, которые растения используют для производства этих биологически активных соединений, которые являются источником многих лекарств, которые люди употребляют и злоупотребляют ежедневно, досаждала ученым в течение многих лет, препятствуя усилиям по использованию этого обширного фармакопеи для производства новых и улучшенных терапевтических средств.
Теперь генетики из Университета Вандербильта думают, что они придумали новый эффективный и мощный способ идентификации этих неуловимых генных сетей, которые обычно состоят из нескольких или десятков различных генов, которые могут преодолеть это препятствие.
"Растения синтезируют огромное количество биопродуктов, которые приносят пользу обществу. Эта команда произвела революцию в раскрытии этих природных биопродуктов и понимании того, как они синтезируются", - сказала Энн Сильвестр, директор программы в Национальном научном фонде. Управление наук, которое финансировало исследование.
Новый революционный подход основан на хорошо известном наблюдении, что растения производят эти соединения в ответ на определенные условия окружающей среды.
«Мы предположили, что гены в сети, которые работают вместе, чтобы создать определенное соединение, будут одинаково реагировать на одни и те же условия окружающей среды», - объяснила Дженнифер Вайсекейвер, постдокторский научный сотрудник, проводивший исследование.
Чтобы проверить эту гипотезу, Вайсекейвер, работая с Корнелиусом Вандербильтом, профессором биологических наук Антонисом Рокасом и аспирантом-исследователем Александром Боровски, обратился к собственному суперкомпьютеру Вандербильта в Центре перспективных вычислений для исследований и образования, чтобы обработать данные из более 22 000 исследований экспрессии генов, проведенных на восьми различных модельных видах растений.
«В этих исследованиях используются передовые геномные технологии, которые могут обнаруживать все гены, которые растения включают или выключают в определенных условиях, таких как высокая соленость, засуха или присутствие определенного хищника или патогена», - сказал Уайсекейвер.
Но выявление сетей генов, ответственных за производство этих малых молекул, на основе тысяч экспериментов, измеряющих активность тысяч генов, - нетривиальное дело. Вот где вмешались ученые Вандербильта; Они разработали мощный алгоритм, способный идентифицировать сети генов, которые демонстрируют одинаковое поведение (например, все включаются) в этих исследованиях экспрессии.
Результатом всех этих вычислений, описанных в статье под названием «Подход глобальной коэкспрессионной сети для соединения генов со специализированными метаболическими путями у растений», опубликованной онлайн 13 апреля в журнале The Plant Cell, стала идентификация из десятков, возможно, даже сотен генных путей, производящих небольшие метаболиты, включая несколько идентифицированных предыдущими экспериментами.
Веред Цин из Института исследований пустынь Якуба Блауштайна Университета Бен-Гуриона в Израиле и Георг Джандер из Института исследований растений им. Бойса Томпсона Корнеллского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, помогли проверить прогнозы, сделанные анализом кукурузы, и Даниэль Клибенштейн. из Департамента наук о растениях Калифорнийского университета Дэвис помог проверить предсказания в модельной системе растений Arabidopsis.
Результаты их анализа противоречат преобладающей теории о том, что гены, составляющие эти пути, сгруппированы вместе в геноме растения.«Эта идея исходит из наблюдения за грибами и бактериями, что гены, составляющие эти специализированные метаболитные пути, сгруппированы вместе», - сказал Рокас. «Однако у растений эти гены, по-видимому, в основном разбросаны по всему геному. Следовательно, стратегии для обнаружения путей генов растений должны отличаться от стратегий, разработанных в других организмах».
Исследователи утверждают, что результаты их исследования показывают, что этот подход «является новым, богатым и в значительной степени неиспользованным средством для высокопроизводительного открытия генетической основы и архитектуры натуральных растительных продуктов».
Если это окажется правдой, то это может помочь открыть доступ к новым растительным терапевтическим средствам для лечения широкого спектра состояний и заболеваний.