Skąd ta kofeina? Czyli analiza genomu kawy

W Science ukazało się podsumowanie sekwencjonowania i wstępnej analizy genomu kawowca. Naukowcy szczególną uwagę poświęcili genom kodującym kofeinę. Związek ten jest tak przydatny, że zdolność do jego produkcji wyewoluowała niezależnie od tej w herbacie, kakaowcu czy innych roślinach „z dopalaczem”. Opublikowane informacje mają też duże znacznie dla zajmujących się tworzeniem nowych odmian i modyfikacjami genetycznymi.

Nad genomem pracował międzynarodowy zespół naukowców z French Institute of Research for Development (IRD), French National Sequencing Center (CEA-Genoscope) i State University of New York's University at Buffalo. Badania genomów roślin użytkowych pozwalają zobaczyć jak te rośliny funkcjonują, jak ewoluowały i dają podstawy do dalszego ich ulepszania.

Uprawy kawy zajmują 11 milionów hekatrów a zaspani ludzie wypijają dziennie ponad 2 miliardy kubków napoju z ziaren tej rośliny. Ten gigantyczny biznes w 99% opiera się na dwóch gatunkach: Coffea canephora (kawa robusta) i Coffea arabica (kawa arabska), który powstał w wyniku hybrydyzacji C. canephora and C. eugenioides (2n = 4x = 44 chromosomy).

Owoce Coffea canephora, Pierre ex A. Froehner Wikipedia CC-BA

Do analiz została wybrana Robusta, ponieważ jest „rodzicem” kawy arabskiej i posiada mniejszy genom. Udało się otrzymać sekwencję 80% genomu, zidentyfikować w niej ponad 25 tys. genów kodujących białka, 92 prekursony microRNA, 2,5 tys. śladów transferu organelle-jądro. Prawie połowę genomu stanowią elementy ruchome, z których aż 85% to retrotranspozony LTR.

Sama kofeina jako metabolit wtórny jest bardzo przydatny nie tylko do rozbudzania zaspanych, ale też spełnia wiele ról w samej roślinie. Przede wszystkim jest środkiem odstraszającym i owadobójczym przeciwko podgryzającym roślinę szkodnikom. Stąd wysoka zawartość związku w liściach. Kiedy te opadną, kofeina wraz z innymi związkami wnika w glebę i zapobiega kiełkowaniu innych roślin, które mogły by stanowić konkurencję dla kawowca.

O ile dla owadów żerujących na liściach kofeina jest insektycydem, na owady zapylające działa jak na ludzi. Niewielka jej ilość znajduje się także w nektarze. Pszczoły, którym podawany jest nektar z kofeiną 3 razy lepiej zapamiętują jego zapach i miejsce, gdzie go znalazły (1). Podobnie jak u ludzi, wydaje się działać na układ nerwowy tych owadów. A może to zwykłe uzależnienie?

Patrząc na geny zaangażowane w produkcję kofeiny, możemy dowiedzieć się jak ten proces przebiega. W końcowej fazie syntezy enzymy N-metylotransferazy (NMT) dodają do ksantozyny trzy metylowe grupy funkcyjne, co daje kofeinę. Jednak N-metylotransferazy w kawie różnią się od tych w gatunkach herbaty czy kakaowcu. 

Szlak syntezy kofeiny, trzy kroki metylacji (dodania grupy -(CH₃)) i odpowiedzialne za to metylotransferazy: metylotransferaza ksantozyny (XMT), syntaza teobrominy (MXMT), syntaza kofeiny (DXMT). SAM - S-adenozylometionina, SAH - S-adenozylohomocysteina (Denoeud i inni; 2014)

Porównując odpowiedzialne za to sekwencje z innymi roślinami autorzy badania doszli do wniosku, że szlak syntezy kofeiny powstał w świecie roślin przynajmniej dwukrotnie na drodze tandemowej duplikacji, niezależnie od siebie na drodze konwergentnej (zbieżnej) ewolucji.

Coffeeless nation - Chatolandia

Wiedza o genomie przyda się w dokładnym poznaniu nie tylko źródeł kofeiny, ale też innych związków odpowiedzialnych za smak, aromat naparu, takich jak kwas linolenowy. Ma on duże znaczenie w procesie prażenia kawy. Zidentyfikowano też wiele genów zapewniających roślinie odporność. Pomoże to walczyć z powodującymi straty chorobami, głównie rdzą kawową. 

Natomiast znajomość genów szlaku produkcji kofeiny pozwoli w przyszłości opracować prawdziwie bezkofeinową kawę. Obecne metody usuwania związku wpływają na smak i zapach naparu.

Seweryn Frasiński

źródła:
nature.com
www.popularmechanics.com

The coffee genome provides insight into the convergent evolution ofcaffeine biosynthesis. Science, September 2014 DOI: 10.1126/science

(1) Caffeine in Floral Nectar Enhances a Pollinator's Memory of Reward G. A. Wright et al. Science 339, 1202 (2013); DOI: 10.1126/science.1228806