Древние мятные растения могут привести к созданию новых лекарств и продуктов

Травы семейства мятных, к которым относятся шалфей, розмарин, базилик и даже такие древесные растения, как тик, дают бодрящий толчок нашим обонятельным и вкусовым ощущениям. Исследователи Мичиганского государственного университета обнаружили, что эти растения разнообразили свои специализированные природные характеристики в ходе эволюции их химического состава, что может привести к потенциальному применению в будущем – от медицины до производства пестицидов.



«Люди легко узнают представителей семейства мятных по их специализированным метаболитам», – говорит Бьорн Хамбергер, доцент и профессор Джеймс К. Биллман-младший, доктор медицины, стипендиат Колледжа естественных наук. «Метаболиты – это эффективный способ самозащиты растений, потому что они не могут убежать».



С 2016 года Хамбергер изучает специализированные метаболиты в растениях, называемые терпеноидами, которые необходимы для защиты растений от хищников и патогенов, а также являются распространенными ингредиентами в зеленых и устойчивых агрохимикатах, антиоксидантах, косметике и ароматизаторах.



Хамбергер работал с Робином Бьюэллом, бывшим исследователем геномики МГУ, ныне работающим в Университете Джорджии, который секвенировал геномы нескольких мятных растений. Сотрудничество с командой Бьюэлла привело к тому, что аспиранты Хамбергера, Эбигейл Брайсон и Эмили Ланье, обнаружили, как эволюционировали несколько геномов растений семейства мятных и как эти химические вещества появились за последние 60-70 миллионов лет.
«За миллионы лет растения адаптировались и эволюционировали для своих конкретных ниш, где они процветают, и это означает, что химические вещества разнообразны и явно адаптировались к окружающей среде», – сказал Хамбергер. «Поэтому мы пытаемся определить и открыть пути к этим специализированным метаболитам, которые производят растения».



Используя междисциплинарный подход, Брайсон определил геномную организацию биосинтеза терпеноидов, а Ланье проанализировал химические пути. Вместе Ланье и Брайсон обнаружили нечто очень необычное в геноме красавки из семейства мятных. В нем имеется большой кластер биосинтетических генов. БГК – это группа генов, расположенных близко друг к другу в геноме, которые участвуют в одних и тех же метаболических путях. Эти гены похожи на отдельные жемчужины в ожерелье – отдельные и в то же время связанные. Кроме того, Брайсон и Ланье обнаружили варианты этого BGC у шести других видов семейства мятликовых.
«Мы узнаем, что физическое расположение генов в геноме очень важно», – сказал Брайсон. «Оно может стимулировать эволюцию специализированных метаболических путей в растении, что приводит к огромному разнообразию интересных природных растительных соединений».



BGC хорошо известны в мире бактерий, но их роль в растениях не до конца понятна. Кластер BGC растения beautyberry содержит гены, которые кодируют два различных терпеноидных пути. Команда обнаружила, что эти терпеноиды накапливаются в различных частях растения, таких как листья и корни, и могут играть различную роль в адаптации.
«Это одна и та же базовая молекула, но каждый вид создает свою собственную версию и модифицирует ее различными способами, чтобы соответствовать своим потребностям выживания», – сказал Ланье.



Хамбергер описывает это как рецепт, который каждый имеет свою копию и изменяет в соответствии со своими требованиями и предпочтениями».
Предыдущие исследования привели к уникальным медицинским применениям растений мяты. Например, индийский колеус можно использовать в качестве натурального средства для лечения глаукомы, а техасский шалфей является природным антимикробным средством, эффективным против туберкулеза. Новые молекулярные адаптации, обнаруженные Хамбергером и его командой, открывают двери для будущего применения натуральных растительных продуктов из семейства мятных.



«Наша команда была в восторге от возможностей семейства мяты», – говорит Хамбергер. «Эти ферменты мяты, как в американской красавке, дают нам возможность производить в лаборатории натуральные растительные продукты, включая – надеюсь, в будущем – натуральные хорошо пахнущие репелленты от комаров».

Michigan State University