Kolektív Katedry genetiky Ústavu biologických a ekologických vied Prírodovedeckej fakulty Univerzity P. J. Šafárika v Košiciach pod vedením prof. RNDr. Evy Čellárovej, DrSc. sa už dlhé roky venuje výskumu prírodných látok s významným farmakologickým a terapeutickým potenciálom. Ide hlavne o bioaktívne antrachinóny, predovšetkým hypericín, ktorých jediným producentom v rastlinnej ríši sú niektorí zástupcovia rodu Hypericum. Ich najznámejším zástupcom, ktorý v súčasnosti zaisťuje dostupnosť hypericínu a ďalších bioaktívnych látok na svetovom trhu je Hypericum perforatum.
Okrem rastlín reprezentovaných predovšetkým zástupcami rodu Hypericum sú antrachinóny vrátane hypericínu a jeho predpokladaných prekurzorov, emodínu, emodín antrónu, skyrínu a ďalších rozšírené v hubách i fungálnych endofytoch, ktoré sa vyskytujú vo vzájomne prospešnom vzťahu v rastlinných hostiteľoch. Biosyntetické gény antrachinónov a regulačné sekvencie sú vo fungálnych genómoch zoskupené do klastrov a pomáhajú odhaľovať fundamentálne aspekty ich genetickej a regulačnej funkcie na genomickej úrovni. Pochopenie mechanizmov genetickej a epigenetickej regulácie antrachinónových biosyntetických génových klastrov a spôsobov ich aktivácie vo fungálnych endofytoch je nielen cestou k pochopeniu biosyntézy antrachinónov v rastlinách, ale tiež potenciálom pre ich perspektívnu biotechnologickú produkciu v jednoduchom eukaryotickom systéme.
Biosyntéza antrachinónov v hubách, baktériách a rastlinách pomocou PKS (polyketid syntáza) typu I (a), II (b) a III (c). PKS zodpovedá za kondenzáciu acyl CoAs (spravidla acetyl-CoA) so 7 molekulami malonyl-CoA za vzniku lineárneho polyketidového reťazca. Folding, ktorého výsledkom je základný antrachinónový skelet v baktériách sa líši od foldingu v hubách a rastlinách (d). Gény v bakteriálnych (actinorhodin) a fungálnych (endocrocin) biosyntetických génových klastroch (antiSMASH databáza) (e). Príklady antrachinónov a bisantrachinónov (f).
SAT- starter unit ACP transacylase
AT- acyltransferase
KS – ketosynthase
CLF – chain length factor
PT- product template
ACP – acyl carrier protein
Odlišné skupiny antrachinónov produkované viacerými fylogeneticky vzdialenými skupinami organizmov evokujú viacero otázok. Ktoré gény a nimi kódované enzýmy polyketidovej biosyntetickej dráhy sú evolučne konzervovanými ortológmi a aké zmeny v genómoch sa v priebehu evolúcie podieľali na širokom spektre antrachinónov, ako ich poznáme dnes? Pribúdajúce poznatky o organizácii genómov nám odhaľujú, že polyketidové biosyntetické gény v baktériách a hubách sú prítomné v klastroch, ale dáta o organizácii polyketidových génov v rastlinných genómoch sú vzácne. Ďalším dôležitým aspektom je komunikácia medzi symbiotickými organizmami a ich rastlinnými hostiteľmi a jej vplyv na biosyntetický potenciál. Je naozaj potrebné pre perspektívnu biotechnologickú produkciu objasniť kompletnú biosyntetickú dráhu alebo skôr koncentrovať úsilie na kľúčové reakcie potrebné pre využitie prístupov syntetickej biológie?
Článok vznikol v rámci výskumu Nitesh Kumar Munda z Indie, ktorého post-doktorandskú pozíciu na našej fakulte podporila UPJŠ v Košiciach.
Viac v publikácii N. K. Munda, postdoktoranda na Katedre genetiky a E. Čellárovej:
Mund, NK. & Čellárová, E.: Recent Advances in the identification of biosynthetic genes and gene clusters of the polyketide-derived pathways for anthraquinone biosynthesis and biotechnological applications. Biotechnological Advances 63 (2023) 108104
