Люди употребляют табак на протяжении тысячелетий, хотя никотин впервые был выделен из растений табака только в конце 1820-х годов.
Теперь, 200 лет спустя, ученые наконец выяснили, как табачное растение производит эти молекулы никотина.
Это открытие потенциально может трансформировать продукты, изготавливаемые из видов табака или с их использованием, — практику, известную как «растительное молекулярное фермерство».
Ученые уже давно модифицируют растения табака для производства терапевтических соединений и даже вакцин, но никотин является проблемой: он вызывает сильное привыкание.
Понимание того, как образуется никотин, может означать, что исследователи смогут разработать способы предотвращения его выработки в растениях.
«Это большой момент в науке о растениях и биохимии — наконец-то мы получили ответ, который искали более 200 лет», — говорит биолог Бенджамин Лихман из Йоркского университета.
Лихман и его коллеги из Копенгагенского университета в Дании в своем новом исследовании идентифицировали гены и ферменты, которые помогают производить никотин.
«Обладая этими новыми знаниями, мы можем удалять или перенаправлять никотин, который естественным образом вырабатывается растением, и создавать более совершенные биотехнологические инструменты», — говорит Лихман.
«В будущем открываются захватывающие возможности адаптировать никотинообразующую систему табака для производства полезных фармацевтических соединений».
С помощью генетического анализа табака (Nicotiana tabacum) исследователи выявили гены, которые расположены близко друг к другу в ДНК табака и активируются одновременно с генами, уже известными своей ролью в производстве никотина.
Затем они выделили ферменты, производимые этими генами.
Как в пробирках, так и в живых растениях ученые продемонстрировали, что эти ферменты, объединяясь, образуют никотин.
Оказалось, что ферменты работают с помощью хитрого процесса, который отчасти объясняет, почему они так долго оставались скрытыми.
Изначально молекула глюкозы присоединяется к строительным блокам никотина, переводя их в реакционноспособное состояние, необходимое для сборки никотина. Затем та же самая молекула отщепляется после завершения процесса — таким образом, сахар выполняет свою важную работу, а затем исчезает.
Исследователи также идентифицировали два фермента, NaGR и NicGS, которые помогают собрать молекулу никотина из исходных материалов. Этими материалами являются аминокислота, связанная с построением белков, и витаминоподобное соединение.
«Это захватывающе, потому что имеет реальное практическое применение», — говорит Лихман.
«Близкий родственник табака, Nicotiana benthamiana, уже используется в „молекулярном фермерстве" для производства жизненно важных лекарств и вакцин».
«Это открывает новые пути использования растений табака во благо: не в сигаретах, а для создания лекарств и других ценных продуктов».
Другое недавно опубликованное исследование подтверждает эти выводы: никотин создается с помощью глюкозы при участии цепочки ферментов, после чего глюкоза исчезает.
Это полное исчезновение, а также необычный способ использования глюкозы по сравнению с другими растительными процессами, как полагают исследователи, и сделали процесс производства никотина таким неуловимым на протяжении столь долгого времени.
В производстве никотина в табаке все еще остаются некоторые вопросы, но теперь мы разобрались с основными этапами и ключевыми ингредиентами.
Исследователи предполагают, что процесс можно модифицировать для производства различных химических веществ и табака с низким содержанием никотина; однако предыдущие попытки приводили к замедлению роста растений.
По теме: Растения перестали процветать, когда Земля нагрелась 56 миллионов лет назад
В конечном итоге эти исследователи не только решили 200-летнюю загадку, но и заложили основу для более продвинутой и точной биоинженерии.
«Растения табака можно использовать в биотехнологии в качестве платформ для производства вакцин или других фармацевтических продуктов, но этому мешает присутствие никотина, который загрязняет продукты и требует обработки для его удаления», — говорит Лихман.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Статьи ScienceAlert пишутся, проверяются факты и редактируются людьми, а не создаются ИИ. Не пропустите ни одной истории, подпишитесь здесь.
«Суперизвержение», которое могло похоронить Новую Зеландию, наконец обретает смысл
Крупнейший из когда-либо обнаруженных динозавров в Юго-Восточной Азии оказался настоящей диковинкой
Когда упал астероид, убивший динозавров, эта форма жизни пировала на смерти