О ядах и ядовитых растениях: несколько вопросов профессору Ноа Уайтмену

Как живые химические фабрики, растения вырабатывают соединения, которые люди используют уже много веков: от аспирина из коры ивы до изотиоцианатов в васаби. Многие из этих химикатов эволюционировали как токсины, которые растения используют для борьбы с животными, стремящимися их съесть.

В своей книге «Самый вкусный яд» биолог-эволюционист Ноа Уайтмен исследует обширный ландшафт растительных токсинов, которые потребляют люди, изучая их экологию и отслеживая использование человеком, включая коренные народы по всему миру. Уайтмен говорит о взаимодействии биологии, химии и человеческой культуры, рассказывая, как соединения из растений щекочут наши вкусовые рецепторы и лечат наши болезни.

«Эти вещества, которые появляются в нашей пище и лекарствах, — ничто из этого не эволюционировало для нас», — подчеркивает Ноа Уайтмен. Он любезно ответил на несколько вопросов научного издания Chemical & Engineering News (C&EN).

Приведите примеры растительных ядов, которые есть в наших холодильниках, на полках для специй и в садах?

— Никотин и кофеин — два ежедневно используемых стимулятора, и оба являются алкалоидами, которые влияют на нашу нервную систему. Еще целый набор молекул, которые часто являются фенолами, терпеноидами или алкалоидами и содержатся в специях, начиная от мяты, в которой есть ментол, и заканчивая тимьяном, в котором есть тимол.

Одно из соединений, которое скрывается в цитрусовых, а также петрушке и укропе, — это фуранокумарины. В грейпфрутовом соке есть фуранокумарины, которые взаимодействуют с нашим метаболизмом для детоксикации лекарств. Они воздействуют на определенный фермент, так что лекарство не выводится из нашего организма со скоростью, которая была изучена в клинических испытаниях. Поэтому эти уровни могут повыситься до небезопасных уровней в течение нескольких часов или дней, если вы продолжаете пить грейпфрутовый сок.

Что привлекло вас к изучению химии растительных токсинов и их эволюции?

— Вероятно, я впервые столкнулся с этой идеей, когда мой отец показал мне, что молочай выделяет млечный сок. Он сказал, в общем, не трогай и не пей этот сок, он ядовит. Но потом я увидел полосатых гусениц монарха, питающихся этими прекрасными растениями. Позже в лаборатории мы начали изучать, как насекомые используют растительные токсины в качестве собственной защиты, например, как монархи получают сердечные гликозиды из молочайных.

Откуда мы знаем, что многие соединения в продуктах питания и специях появились в результате гонки вооружений между растениями и вредителями?

— Это химикаты, которые часто горькие, острые, болезненные, но также имеют некоторую молекулярную функцию воздействия на некоторые системы животных, будь то нервная, пищеварительная или мышечная система. Эти химикаты дороги в производстве, и они обеспечивают преимущество только в присутствии врагов. Это своего рода доказательство того, что они развивались и поддерживались в первую очередь как защита.

Мы разделяем эту базовую биологию с другими организмами, химикаты часто нацелены на одни и те же вещи в нас и насекомых. Самое интересное, что через человеческую культуру, которая коэволюционирует с нашими генами, мы развили способность использовать этот резервуар природных химикатов полезными способами, как это делают некоторые насекомые.

Приведите пример того, как человеческая культура и генетика развивались под воздействием этих соединений.

— Фавизм — это наследственное заболевание, вызванное мутацией в гене G6PD. Эта мутация затрудняет контроль эритроцитами своей окислительно-восстановительной среды и может привести к их разрушению. Люди с фавизмом заболевают анемией, когда едят конские бобы, которые содержат вициновые алкалоиды. Люди, не являющиеся носителями мутаций, вызывающих фавизм, легко справляются с этими алкалоидами.

Однако люди с фавизмом — наиболее распространенным наследственным заболеванием у людей — более устойчивы к малярии. Это не кажется совпадением. Исследователи изучили, где люди употребляют конские бобы, например, в Юго-Восточной Азии, и у них есть мутации G6PD. Идея заключается в том, что эти вициновые алкалоиды вызывают эпизоды анемии, которые удаляют из организма клетки крови, которые могут быть инфицированы малярийными паразитами.

Есть растения, которые являются источниками молекул для фармацевтических препаратов. Как они появились в нашей жизни? В книге вы, например, рассказываете о разработке противозачаточных таблеток.

— Этот профессор, Рассел Маркер из Университета штата Пенсильвания, выделил химическое вещество диосгенин из прекрасного растения под названием триллиум в то время, когда люди хотели синтезировать гормоны: прогестерон, эстроген, тестостерон, кортизол и кортизон. До этого момента единственным способом их получения было выделение из желез животных, что обременительно и неустойчиво.

Но растения производят стероидоподобные молекулы, такие как диосгенин, которые имеют схожую основу. Маркер уволился с работы, чтобы искать источники, более крупные, чем растения триллиума. Он поехал на юго-запад США и нашел растения семейства ямсовых, которые производили гигантские клубни. Затем он отправился в Мексику и нашел более крупные, некоторые из них весили около девяносто килограммов.

Маркер основал в Мехико компанию Syntex, и там этот студент бакалавриата Луис Мирамонтес синтезировал первый полусинтетический прогестерон, названный норэтиндрон, одну из молекул, которые затем будут использоваться в противозачаточных таблетках. Это удивительная история, но почему клубни делают это? Мы не знаем. Диосгенин — это сапонин. Сапонины могут быть регуляторами роста насекомых, потому что они похожи на гормоны, но лучшая гипотеза заключается в том, что они разрушают клеточную мембрану, и поэтому являются токсинами для насекомых.

Чему могут научиться химики, например, работающие в области исследования натуральных продуктов, у эволюционных биологов?

— Одна из вещей, которой могут научиться химики, — это сделать шаг назад и спросить себя, почему эти химикаты эволюционировали. Это может дать представление о функции этих вещей, конечной цели, которой они служат для организма, который их производит.

Полная история — это жизненный цикл этой молекулы: как она создается, куда растение помещает ее в свои клетки или ткани, что происходит, когда ее съедает животное. Имеет ли значение, гусеница это, олень или человек? Имеет ли значение pH кишечника? Если у вас нет такой информации, вы упустите измерение биологической активности молекулы.

Справка

Ноа Уайтмен — профессор генетики, геномики, эволюции и развития и директор Музея энтомологии Эссига в Калифорнийском университете в Беркли. Образование: бакалавр биологии, Университет Сент-Джонс, 1998 г.; магистр энтомологии, Университет Миссури-Колумбия, 2000 г.; доктор биологии, Университет Миссури-Сент-Луис, 2006 г.

Некоторые растения в ядовитом саду на заднем дворе Уайтмена: тысячелистник, содержащий матрицин; прекрасный лимон, содержащий фуранокумарины; ревень, в листьях которого содержатся оксалат и алкалоиды; белладонна, содержащая атропин; калифорнийская трубочная лоза, вырабатывающая аристолоховые кислоты, которые являются мощными токсинами для почек.

Любимое растение — секвойя прибрежная. «Это самые высокие растения, которые когда-либо жили. Они очень выносливы, и это хорошая метафора».

Любимая молекула — галлотанины, потому что их молекулярные структуры настолько красивы, что в присутствии железа они могут излучать синий свет.

Поддержать развитие блога можно на Boosty по ссылке.