Грибы научились синтезировать псилоцибин дважды в процессе эволюции. С помощью разных ферментов и разных реакций

Немецкие и австрийские исследователи провели серию экспериментов и установили, что псилоцибиновые грибы разных родов синтезируют этот психоделик двумя различными путями с использованием ферментов, эволюционно далеких друг от друга. Таким образом, способность синтезировать псилоцибин появилась независимо дважды в процессе эволюции. Отчет о работе опубликован в журнале Angewandte Chemie International Edition.

Грибы рода Psilocybe и еще более десяти родов, включая Panaeolus, Inocybe, Pluteus, Gymnopilus и Pholiotina, синтезируют псилоцибин (4-фосфорилокси-N,N-диметилтриптамин) — химически стабильный прекурсор серотонинергического психоделика псилоцина (4-гидрокси-N,N-диметилтриптамина). Впервые это вещество выделил из гриба Psilocybe mexicana швейцарский химик и первооткрыватель ЛСД Альберт Хофман с коллегами, он же показал, что исходным веществом для синтеза служит аминокислота триптофан. Первая схема биосинтеза псилоцибина, основанная на экспериментах с радиоактивными метками, появилась в 1968 году, а наиболее полную современную версию с характеризацией всех ферментов и воспроизведением in vitro представили в 2017 году.

Эта схема описывает биосинтез у грибов родов Psilocybe, Panaeolus, Pluteus и Gymnopilus, ее изучали на примере P. cubensis. Она включает пять реакций. Фосфатидилсериновая декарбоксилаза PsiD преобразует L-триптофан в триптамин, он под действием монооксигеназы PsiH превращается в 4-гидрокситриптамин, из него АТФ-зависимая киназа PsiK синтезирует норбеоцистин (4-фосфорилокситриптамин), который метилтрансфераза PsiM преобразует сначала в беоцистин (4-фосфорилокси-N-метилтриптамин, психоактивен), а затем в псилоцибин. В этом метаболическом пути отсутствуют в качестве промежуточных продуктов психоактивные диметилтриптамин и псилоцин. Кроме того, PsiK катализирует фосфорилирование псилоцина в псилоцибин более эффективно, чем своего основного субстрата 4-гидрокситриптамина, из-за чего псилоцин в клетках грибов не содержится. Эту схему синтеза воспроизводили на рекомбинантных организмах, таких как плесень, дрожжи и кишечная палочка.

Псилоцибин был также обнаружен в некоторых грибах рода волоконниц (Inocybe). При этом у них не были обнаружены гены, кодирующие ферменты семейства Psi, однако при изучении генома I. corydalina выделялся филогенетически им неродственный кластер генов пяти ферментов, которые могут обладать схожими каталитическими функциями. Они включали монооксигеназу IpsH, декарбоксилазу IpsD, киназу IpsK и две почти идентичные метилтрансферазы IpsM1 и IpsM2. Дирк Хоффмайстер (Dirk Hoffmeister) из Йенского университета имени Фридриха Шиллера, который руководил характеризацией описанного выше метаболического пути Psi, с коллегами изучил структуру этих ферментов in silico в AlphaFold 3 и с помощью рекомбинантных организмов синтезировал и биохимически охарактеризовал четыре из них (кроме нерастворимой монооксигеназы), воспроизведя альтернативную схему синтеза псилоцибина.

Выяснилось, что в ходе нее моноаминоксидаза IpsH синтезирует из L-триптофана 4-гидрокситриптофан, пиридоксаль-5′-фосфатзависимая декарбоксилаза IpsD превращает его в 4-гидрокситриптамин, S-аденозил-L-метионинзависимые метилтрансферазы IpsM1 и IpsM2 последовательно преобразуют его в норпсилоцин (4-гидрокси-N-метилтриптамин) и псилоцин (IpsM2 более эффективно катализирует первую из этих реакций, IpsM1 — вторую), в завершение АТФ-зависимая киназа IpsK синтезирует из псилоцина псилоцибин. Эта киназа может фосфорилировать и норпсилоцин (но не другие промежуточные продукты синтеза), хотя и с меньшей эффективностью, с образованием беоцистина, который не метилируется метилтрансферазами и остается в качестве одного из конечных продуктов наряду с псилоцибином. В свою очередь, декарбоксилаза не использует в качестве субстрата триптофан, а метилтрансферазы работают только с 4-гидрокситриптамином и норпсилоцином, а значит, описанный путь синтеза является единственно возможным для ферментов семейства Ips. При этом ни один из этих ферментов филогенетически не родственен ферментам семейства Psi.

Таким образом, грибы рода волоконниц синтезируют псилоцибин по альтернативному пути, ни одна реакция и большинство промежуточных продуктов не совпадают с путем синтеза у псилоцибов и других родов, и используют для этого неродственный набор ферментов, несмотря на то что все эти грибы относятся к порядку агариковых (Agaricales). Это красноречиво свидетельствует о том, что синтез псилоцибина появился у волоконниц в процессе эволюции независимо от других родов. Помимо теоретического интереса полученные данные расширяют возможности биотехнологического синтеза псилоцибина и родственных ему индольных соединений.

Ранее американские, британские и мексиканские исследователи провели метагеномный анализ и построили детальное филогенетическое дерево псилоцибиновых грибов. Оно показало, что эти грибы начали синтезировать псилоцибин около 67 миллионов лет назад — примерно во время мел-палеогенового вымирания, в ходе которого исчезли все нептичьи динозавры. В свою очередь, научная группа из США, ЮАР и Зимбабве обнаружила в Африке ранее неизвестный вид псилоцибов P. ochraceocentrata, который оказался ближайшим родственником P. cubensis и пролил свет на его происхождение.

Источник