Группа биологов впервые сумела объединить в одном организме генетические механизмы производства пяти психоделических соединений — от растительного ДМТ до буфотенина и 5-MeO-DMT из яда жабы. Работа демонстрирует возможность создания «программируемой биологической фабрики» для получения психоактивных веществ в лабораторных условиях.
Исследование, по мнению авторов, открывает путь к чистому и возобновляемому источнику молекул, которые нейробиологи используют для изучения механизмов работы мозга и нейропластичности.
Но как ученым удалось заставить одно растение синтезировать сразу пять разных веществ, которые в природе встречаются в неродственных организмах?
Главные мысли за 1 минуту
- Ученые внедрили в лабораторный табак Nicotiana benthamiana гены, отвечающие за синтез ДМТ, псилоцибина, псилоцина, буфотенина и 5-MeO-DMT — эти вещества происходят из растений, грибов и яда жабы.
- Замена одной аминокислоты в структуре фермента позволила увеличить производство 5-MeO-DMT в 40 раз: исходно молекула плохо совпадала с активным центром фермента.
- Все психоделики строятся на базе аминокислоты триптофана — из нее же человеческий организм производит серотонин, регулирующий настроение и нейронные связи.
- Добавление бактериальных ферментов позволило растению синтезировать модифицированные молекулы с атомами хлора и брома, расширяя набор возможных соединений.
- Авторы назвали полученный организм «программируемой биологической фабрикой», способной быстро производить различные химические соединения для нейробиологических исследований.
Почему психоделики добывают из редких организмов и в чем проблема
В природе существует множество растительных и животных токсинов, воздействующих на нервную систему. Сегодня наука активно изучает структуру этих молекул, чтобы понять принципы работы человеческого мозга.
Лабораторные эксперименты показывают, что такие соединения могут служить ключом к изучению нейропластичности — способности мозга восстанавливать разрушенные нейронные связи после тяжелых стрессов и травм.
Все классические психоделики строятся на одной биологической базе — аминокислоте триптофане. Из нее же человеческий организм производит серотонин, регулирующий настроение и многое другое.
Поэтому эти вещества имеют очень похожую химическую структуру, из-за чего молекулы растений, грибов и жаб способны связываться с серотониновыми рецепторами в мозге человека. Разные виды научились по-своему перерабатывать триптофан, создавая уникальные химические вариации.
Сегодня эти вещества добывают из редких растений, грибов или животных, что вызывает экологические и этические проблемы. Например, жабы Сонорской пустыни, выделяющие мощный психоделик, страдают от потери среды обитания и бесконтрольного отлова. Альтернативный химический синтез в лабораториях слишком сложен, дорог и оставляет токсичные отходы.
Как табак стал «фабрикой» психоделиков
В начале эксперимента исследователи расшифровали точный генетический механизм производства ДМТ в природе. Они выделили ключевые гены и ферменты, ответственные за этот процесс в тропических кустарниках. Затем биологи внедрили эти гены в Nicotiana benthamiana — лабораторный вид табака, который часто используют в генной инженерии. Растение успешно начало синтезировать ДМТ.
Далее ученые добавили в листья гены грибов и жаб. Когда биологи попытались получить жабий 5-MeO-DMT, выяснилось, что табак производит его в крайне малых количествах. Исследователи поняли, что молекула вещества плохо совпадала с активным центром фермента. Они заменили одну аминокислоту в структуре фермента и добились соответствия, увеличив производство вещества в 40 раз.
Далее ученые поместили гены пяти соединений в один куст, и растение смогло одновременно синтезировать все пять молекул. При этом, когда все пути активировались разом, ферменты начинали конкурировать за исходный триптофан, из-за чего общая эффективность производства падала.
От пяти молекул к тысячам: бактериальные ферменты расширяют палитру
В конце биологи добавили еще и бактериальные ферменты. Табак начал синтезировать модифицированные молекулы с атомами хлора и брома.
Таким образом, авторы научной работы создали программируемую биологическую фабрику, способную быстро производить различные химические соединения. В перспективе исследователи смогут научить растения собирать еще более сложные многокомпонентные смеси. Это даст нейробиологам чистый и возобновляемый материал для изучения работы мозга.