Гутерман І. | Відродження запаху

1. І. Гутерман Дуже давно, коли я ще жила в Москві, мені часто дарували троянди. Їх можна було купити...
2. Хімічний склад запаху
3. Як зібрати запах?
4. На яких рослинах вивчають запах?
5. Чи можна повернути випарується запах?

І. Гутерман

Дуже давно, коли я ще жила в Москві, мені часто дарували троянди. Їх можна було купити навіть взимку, в мороз. Продавці тоді ховали все квіти в скляні «акваріуми» і в них палили для обігріву свічки. Троянди були бордові, на високих, товстих і дуже колючих стеблах. І форма бутона, і колір - все було чудово, і стояли троянди у вазі на подив довго. До повної досконалості їм не вистачало тільки одного маленького, але важливого штриха - запаху.

Через кілька років, вже зовсім в іншій країні, мені знову довелося зіткнутися з трояндами. Вони постали переді мною зовсім в іншій ролі - об'єкта дослідження. Я шукала роботу і прийшла в Єрусалимський університет на факультет сільського господарства, де мені запропонували робити дисертацію на тему «Геноміка пелюсток троянд: ідентифікація і вивчення нових генів, які формують запах троянд». Тема звучала дуже романтично і мені сподобалася. Отже, чи можна повернути трояндам їх ніжний аромат?

Що таке квітковий запах?

Більшість рослин виділяють речовини, здатні впливати на рецептори людини, викликаючи певні нюхові відчуття. Хімічне відмінність між приємним і неприємним запахом може бути дуже незначним. При цьому композиції одних і тих же речовин, взятих у різних концентраціях, можуть асоціюватися з абсолютно різними запахами (запахом називають не тільки нюхові відчуття, але і композиції пахучих речовин). Речовини, що володіють запахом, є легколетучим, липофильними, легко дифундують через клітинну мембрану і випаровуються в атмосферу. Відомо вже понад 1 тис. Летючих речовин (ЛВ), синтезованих рослинами, і ця кількість збільшується, оскільки з'являються нові, більш чутливі методи аналізу ЛВ.

ЛВ синтезуються не тільки різними частинами квітки, але і вегетативними частинами рослини (листям, корінням і стеблом). Запахом можуть володіти також і плоди рослини. Спектр виділених речовин змінюється в залежності від стадії розвитку, часу доби, а також від впливів на рослину в цілому (наприклад, стрес або пошкодження).

ЛВ рослин відносять до групи вторинних метаболітів, названих так тому, що вони, на відміну від первинних метаболітів, не є універсальними речовинами, необхідними для життєдіяльності всіх рослин. Вторинні метаболіти служать для залучення комах-запилювачів; багато з них синтезуються в відповідь на пошкодження рослини і токсичні для патогенних бактерій, грибів і інших шкідників; відомі також речовини, які можуть пригнічувати ріст сусідніх рослин. У плодах вторинні метаболіти грають роль консервантів і, крім того, є сигналом (смак, колір, запах) для тварин, що вживають дані плоди в їжу і здійснюють таким чином поширення насіння. Деякі специфічні речовини синтезуються рослинами у відповідь на стрес, наприклад в умовах посухи або підвищеного вмісту в грунті солей.

Хімічний склад запаху

Незважаючи на всю різноманітність рослинних ЛВ, більшість їх відноситься до трьох основних груп: терпени, фенілпропаноїди / бензеноіди і похідні жирних кислот.

Терпени є похідними ізопрену і в залежності від кількості ланок ізопренів поділяються на моно-, ди- (гібереліни), три- (стероїди), сескві- і Тетратерпени (каротиноїди). Всього відомо понад 20 тис. Терпенів, більше половини яких виявлені в рослинах. Не всі терпени летючий, і в формуванні запаху беруть участь в основному моно-, ди-і сесквітерпени. Більшість рослинних терпенів - вторинні метаболіти, але терпени гиббереллин і абсцизовая кислота - фітогормони і відносяться до первинних метаболітів. Попередником всіх рослинних терпенів є ізопентенілдіфосфат, який синтезується як в цитоплазмі, так і в пластидах.

Фенілпропаноїди (включаючи і бензеноіди) є похідними амінокислоти фенілаланіну. Шлях біосинтезу фенілпропаноїди поки не повністю вивчений. Ключовим ферментом біосинтезу фенілаланіну є фенілаланінаммоніумліаза, а подальші перетворення включають в себе реакції гідроксилювання, метилування та ацетилювання.

Летючі спирти і альдегіди утворюються в результаті деградації фосфоліпідів і жирних кислот під дією ліпоксигеназ, гідропероксідаз, ізомераз і дегідрогеназ.

Як зібрати запах?

Для вивчення хімічного складу запаху використовуються в основному різні хроматографічні методи. Особливо часто застосовуються газова або рідинна хроматографія в поєднання з мас-спектрометрією.

Уже в Стародавньому Єгипті використовували ароматичні масляні екстракти, які виготовляли з різних трав і квітів. (Цей метод чудово описаний в гучному романі П. Зюскінда «Парфумер».)

У сучасному варіанті як розчинник використовують спирт, хлороформ і деякі інші органічні розчинники. Істотним недоліком отриманого екстракту є те, що окрім пахучих речовин в нього потрапляють інші сполуки, причому в концентраціях, що перевищують концентрації ЛВ в десятки, а іноді і сотні разів. Аналіз такої суміші хроматографічних методами - завдання дуже важке.

Для вивчення запаху більше підходять методи, що дозволяють вловити і сконцентрувати саме легколетучие речовини, так званий «аналіз вільного простору». Так, наприклад, метод твердофазної мікроекстракція (SPME) використовує властивість деяких полімерів поглинати запахи. Тонкий стрижень з такого полімерного матеріалу поміщають в щільно закритий посудину разом з рослиною і витримують 10-30 хв. Потім стрижень виймають і поміщають в інжектор хроматографічної колонки, де він нагрівається до температури 200-250 ° С. При нагріванні адсорбовані полімером молекули вивільняються і потрапляють в колонку, де той чи інший спосіб зазнають фракціонування. Метод цей хороший своєю високою чутливістю, а також швидкістю і простотою використання. Однак є у нього і певні недоліки: через вибірковості процесу адсорбції можна судити про кількість компонентів в аналізованої суміші, крім того, на полімер можуть адсорбуватися і зовсім сторонні молекули, наприклад ті, які перебували в приміщенні, де проводився аналіз.

Назва іншого методу перекладається з англійської як «пастка» (trapping). Метод полягає в тому, що рослина або якусь його частину поміщають в закриту посудину, через який за допомогою насоса повільно прокачується повітря. Подача повітря здійснюється через фільтр. Запах адсорбується на іншому фільтрі, який знаходиться на виході з посудини. Для збору запаху використовують спеціальні полімери. Після закінчення експерименту полімер промивають розчинником (наприклад, гексаном) і таким чином отримують «екстракт чистого запаху». Цей метод дозволяє судити не тільки про якісне, а й про кількісний склад запаху, а також порівнювати склад запахів, що виділяються одним і тим же рослиною в різні проміжки часу (наприклад, вдень і вночі).

На яких рослинах вивчають запах?

Протягом багатьох років дослідження запаху зводилося в основному до вивчення хімічної структури пахучих речовин і налагодженню їх синтезу в промислових кількостях для застосування в косметичній та харчовій промисловості. При цьому біохімічні шляхи синтезу і механізми регуляції виділення ЛВ до недавніх пір не були об'єктом пильного вивчення. Можливо, основною причиною такої неуваги була відсутність методів, що дозволяють реєструвати і визначати компоненти запаху in vivo. Крім того, використання з цією метою найбільш популярного модельного рослини - резушкі Таля (Arabidopsis thaliana), родича гірчиці і капусти, до недавнього часу здавалося неможливим.

Для молекулярних біологів арабідопсис є майже ідеальну модель: високоплодовітое мініатюрна рослина з невеликим за розміром геномом (5 хромосом загальним розміром 125 млн пар основ) і коротким (близько 6 тижнів від проростання до зрілого насіння) життєвим циклом є зручним для класичного мутаційного і генетичного аналізу . Геном резушкі був повністю секвенирован ще в 2000 р

Метод трансформації - впровадження в рослину чужорідних генів - для арабидопсиса значно простіше і ефективніше, ніж для всіх інших рослин. Існує база даних (http://www.arabidopsis.org/), в якій можна знайти дуже багато інформації про цю рослину, а також замовити насіння. На жаль, запах у арабидопсиса слабкий, тому тільки в 2003 р вченим вдалося проаналізувати його склад методом твердофазної мікроекстракція і встановити, що понад 60% виділених арабідопсис летючих речовин відноситься до групи терпеноїдів. Таким чином, багато важливі складові запахів інших рослин, а отже і гени, що регулюють вироблення цих речовин, у арабидопсиса відсутні.

При порівнянні геномних даних (див. Сайт http: //plantta.tigr.org/cgi-bin/plantta_release.pl) стає зрозуміло, що і інші інтенсивно вивчаються рослини - рис, пшениця, картопля, помідори, кукурудза - не можуть бути хорошими моделями для експериментів з запахом. Для дослідження ЛВ використовуються менш «популярні», але сильніше пахнуть рослини: кларкия Бревер (Clarkia brewer), левиний зів (Antirrhinum majus), садові петунія (Petunia hybrida), полуниця (Fragaria ananassa).

В останні роки модним став глобальний підхід, що дозволяє працювати з такими непопулярними (як біомоделі) рослинами і який отримав назву OMICS, яке походить від термінів «геномика» (genomics), «транскріптоміка» (transcriptomics), «протеоміка» (proteomics) і «метаболоміка »(metabolomics). Геноміка дозволяє вивчити геном організму в цілому, транскріптоміка визначає, які гени експресуються в заданий момент часу, протеоміка дає інформацію про білках, а метаболоміка становить карти шляхів метаболізму. Зіставлення цих даних дає можливість ідентифікувати нові гени і визначити функції вже відомих.

Чи можна повернути випарується запах?

Садові троянди (Rosa hybrida) володіють сильним запахом, хімічний склад якого включає весь спектр рослинних ЛВ: терпени, фенілпропаноїди і похідні жирних кислот. Цікаво, що більшість троянд, призначених для зрізання, хоча і не в'януть довго, не володіють класичним рожевим ароматом, яким володіють садові троянди. В процесі селекції найбільш стійких сортів кудись зник запах!

Здавалося б, повернути запах не так вже й складно. Знайти відповідний ген, трансформувати його в рослину і ... На жаль, все не так просто. Методи трансформації багатьох «немодельний» рослин ще не розроблені, до їх числа відносяться і троянди.

Часто лімітуючим фактором в біосинтезі тих чи інших речовин служить мала кількість молекул-попередників, з яких в одну або кілька стадій синтезується кінцевий продукт. У такому випадку надмірна експресія будь-якого гена, який бере участь у перетворенні попередника в продукт, не призводить до збільшення кількості останнього.

Біосинтез кожного компонента запаху - багатоступінчастий процес, який здійснюється різними ферментами. Тому впровадження в геном рослини одного працюючого гена найчастіше недостатньо для зміни запаху в цілому. Іноді, навіть маючи справу з одноступінчастим біохімічним перетворенням, не вдається досягти бажаного ефекту. Наприклад, монотерпен ліналол утворюється з ізопрену під дією ферменту ліналолмонотерпенсінтази і є одним з важливих компонентів запаху. Впровадження в геном петунії гена ліналолмонотерпенсінтази не привело до зміни змісту ліналола, що виділяється рослиною. Виявилося, що ліналол в петунії утворюється, але зазнає реакцію гликозилирования, а глікозильований ліналол не є летючим. У запаху гвоздики, трансформованої тим же геном, кількість ліналола підвищилося і склало 10% від загальної кількості виділених ЛВ. Однак на нюховому сприйнятті запаху наявність цього нового компонента ніяк не відбилося.

Те ж відбулося і з геном сесквітерпенсінтази гермакрена D, клонованою з троянд і трансформованим в петунію. У квітках петунії дикого типу присутній природний гермакрен D, що підтверджує наявність необхідного субстрату. Однак у трансформованих рослин не було виявлено значущого збільшення концентрації виділяється гермакрена D. Надлишкова експресія в петунії іншого гена, клонованого з троянд, ацетилтрансферази (ферменту, що перетворює спирт в ацетат), дозволила змінити зміст ацетатов в запаху трансформованих рослин.

Більш детальне вивчення шляхів освіти компонентів запаху, а також їх взаємозв'язку з іншими біохімічними процесами (первинного та вторинного метаболізму), що відбуваються в клітинах, дозволить в майбутньому направлено впливати не тільки на запах, але і на інші властивості рослин. До теперішнього моменту великі успіхи вже досягнуті у вивченні метаболізму терпенів.

Спонсор публікації статті: сайт безкоштовних купонів iCoupons.ru. Скориставшись послугами сайту, Ви зможете отримати купони SammyDress , Hollisterco.com, AliExpress.com, Yoox.com, і безлічі інших магазинів. Купони дозволять отримати вигідні знижки на товари магазину, що зробить покупку ще приємніше.