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.
Биологи нашли способ объединить в одном организме механизмы создания пяти психоделиков: ДМТ из тропических кустарников, псилоцибина и псилоцина из грибов, а также буфотенина и 5-MeO-DMT из яда жабы. Результаты опубликовали в журнале Science Advances.
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.
Затем 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.
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.