Ученые определили ДНК-код генома опийного мака, раскрыв ключевые этапы эволюции растения для производства фармацевтических соединений, используемых для изготовления жизненно важных лекарств.
Открытие может проложить ученым путь к повышению урожайности и устойчивости лекарственного растения к болезням, обеспечив надежное и дешевое снабжение наиболее эффективными обезболивающими и паллиативными препаратами.
Прорыв, сделанный исследователями из Йоркского университета в сотрудничестве с Институтом Wellcome Sanger, Великобритания, и международными коллегами, раскрывает происхождение генетического пути, ведущего к производству носкапина, подавляющего кашель, и болеутоляющих препаратов морфина и кодеин.
Соавтор, профессор Ян Грэм из Центра новых сельскохозяйственных продуктов факультета биологии Йоркского университета, сказал: «Биохимики десятилетиями интересовались тем, как растения эволюционировали, чтобы стать одним из самые богатые источники химического разнообразия на Земле. Используя высококачественную сборку генома, наше исследование расшифровало, как это произошло в опийном маке.
В то же время это исследование послужит основой для разработки инструментов молекулярной селекции растений, которые можно использовать для обеспечения надежного и дешевого снабжения наиболее эффективными болеутоляющими средствами для облегчения боли и паллиативной помощи больным. общества не только в развитых, но и в развивающихся странах мира».
Подходы, основанные на синтетической биологии, для производства соединений, таких как носкапин, кодеин и морфин, в настоящее время разрабатываются, при этом гены растений встраиваются в микробные системы, такие как дрожжи, для обеспечения производства в промышленных ферментерах. Однако опийный мак остается самым дешевым и единственным коммерческим источником этих фармацевтических соединений на некотором расстоянии.
Ученые из Йоркского университета и Института Wellcome Sanger в Великобритании совместно с коллегами из Сианьского университета Цзяотун и Шанхайского океанологического университета в Китае и Sun Pharmaceutical Industries (Австралия) Pty Ltd произвели высококачественную сборку последовательности генома 2,7 GigaBase, распределенной по 11 хромосомам.
Это позволило исследователям идентифицировать большой кластер из 15 генов, которые кодируют ферменты, участвующие в двух различных путях биосинтеза, участвующих в производстве как носкапина, так и соединений, ведущих к кодеину и морфину.
Растения обладают способностью дублировать свои геномы, и когда это происходит, дублированные гены могут свободно эволюционировать, чтобы делать другие вещи. Это позволило растениям разработать новое оборудование для производства разнообразных химических соединений, которые используются для защиты от вредных микробов и травоядных, а также для привлечения полезных видов, таких как пчелы, для помощи в опылении.
Сборка генома позволила исследователям идентифицировать наследственные гены, которые объединились для создания слияния генов STORR, ответственного за первый важный шаг на пути к морфину и кодеину. Это событие слияния произошло до относительно недавнего события дупликации всего генома в геноме опийного мака 7,8 миллиона лет назад.
Соавтор, профессор Кай Е из Сианьского университета Цзяотун, сказал: «Высоко повторяющийся геном растений и смешанные эволюционные события за последние 100 миллионов лет усложнили наш анализ. Мы использовали дополнительные передовые технологии секвенирования генома с сложные математические модели и методы анализа для изучения истории эволюции генома опийного мака.
"Интересно, что два биосинтетических пути пришли к одному и тому же геномному региону из-за ряда структурных событий дублирования, перетасовки и слияния, что позволило согласованно производить новые метаболические соединения."
Первый совместный автор профессор Земин Нин из Wellcome Trust Sanger Institute сказал: «Сочетание различных технологий секвенирования является ключом к получению высококачественной сборки генома опийного мака. При размере генома, близком к человеческому, основная проблема для этого проект должен был обрабатывать повторяющиеся элементы, которые составляют 70,9% генома».