Специалисты в области биологии из Израиля добились прогресса в генетической модификации растения, родственного табаку, чтобы оно самостоятельно синтезировало пять психоактивных соединений. Обычно эти вещества встречаются в представителях трех различных категорий живых организмов: флоры, микологии и фауны.

В живой природе встречается большое разнообразие ядовитых веществ растительного и животного происхождения, оказывающих влияние на нервную систему. Современные научные исследования направлены на изучение строения этих соединений с целью раскрытия закономерностей функционирования человеческого мозга. Результаты лабораторных исследований указывают на то, что подобные вещества могут стать важным инструментом для понимания нейропластичности – способности головного мозга к восстановлению поврежденных нервных связей после серьезных потрясений и травм.

Все известные психоделические препараты имеют общую основу – аминокислоту триптофан. Этот же компонент используется человеческим телом для производства серотонина, который влияет на эмоциональное состояние и множество других процессов. Благодаря схожей химической структуре, соединения из растений, грибов и животных способны воздействовать на рецепторы серотона в головном мозге человека. Различные виды организмов разработали собственные методы преобразования триптофана, что приводит к образованию уникальных химических соединений.

В настоящее время получение этих веществ связано с эксплуатацией редких видов растений, грибов или животных, что порождает серьезные экологические и моральные вопросы. Например, популяции жаб Сонорской пустыни, производящих сильный психоделик, находятся под угрозой из-за разрушения их естественной среды обитания и неконтролируемой добычи. Альтернативные методы химического синтеза в лабораторных условиях оказываются слишком сложными, затратными по ресурсам и сопряжены с образованием токсичных отходов.

Ученым удалось создать единый организм, способный воспроизводить процессы формирования пяти психоделиков: ДМТ, который обычно содержится в тропических кустарниках; псилоцибина и псилоцина, встречающихся у грибов; а также буфотенина и 5-MeO-DMT, выделяемых ядом жаб. Результаты опубликовали в журнале Science Advances.

На первом этапе исследования ученые определили точный генетический механизм образования ДМТ в естественной среде. Им удалось идентифицировать основные гены и ферменты, участвующие в этом процессе у тропических кустарников. После этого биологи внедрили эти гены в Nicotiana benthamiana, являющийся лабораторной моделью табака, который широко применяется в генной инженерии. В результате растение начало вырабатывать ДМТ.

Далее ученые включили в структуру растения гены грибов и жаб. При попытке синтезировать 5-MeO-DMT из жабы выяснилось, что табак производит его лишь в незначительных объемах. Исследователи сделали вывод о том, что молекулярная структура вещества не полностью соответствует активному участку фермента. После внесения изменения – замены одной аминокислоты в структуре фермента — удалось добиться соответствия и увеличить выработку этого соединения на 40 процентов.

Затем специалисты интегрировали гены, отвечающие за выработку пяти различных веществ, в единый генетический код растения. В результате оно оказалось способно к одновременному синтезу всех этих молекул. Однако, когда все метаболические пути были активированы одновременно, ферменты вступили в конкурентную борьбу за ключевой аминокислотный предшественник – триптофан, что привело к снижению общей производительности процесса.

Впоследствии биологи включили также ферментные системы бактериального происхождения. Табак стал создавать измененные молекулы, содержащие атомы хлора и брома в своей структуре.

Следовательно, создатели исследования разработали биореактор с возможностью программирования, позволяющий оперативно получать разнообразные химические соединения. В будущем ученые планируют обучить растения создавать еще более сложные комбинации из нескольких компонентов. Это предоставит нейробиологам экологически чистый и возобновляемый ресурс для исследования функционирования мозга.