古柯植物生产可卡因的途径最终被解开

古柯植物生产莨菪碱的途径可卡因自1855年首次分离以来一直是个谜。现在，两个研究小组报告了其生物合成过程中缺失的步骤。

莨菪碱是多种植物产生的次生代谢产物。可卡因从Erythroxylum可口和来自茄科多个物种的尼古丁是最著名的两种。其他的，如东莨菪碱、利托碱和莨菪碱都是重要的药物。

莱布尼茨植物遗传学和作物植物研究所的生物化学家约翰·德奥里亚领导了一个团队，他们使用酵母筛选平台揭示了可卡因在人体中的整个生物合成途径大肠可口．¹中国昆明植物研究所黄胜雄领导的小组也独立发表了同一途径的一部分。²这两篇论文报告了类似的发现，但在甲基化和环闭步骤的顺序上存在分歧，这些杂环丙二烷生物碱是独一无二的。

D 'Auria已经研究了这一途径15年，并开始欣赏古柯植物产生莨菪碱的独特方式。“古柯的做法不同，”达里亚强调说。

通路发现始于基于同源的方法。这包括寻找制造相似分子的相关植物，并寻找相似或同源的基因。对于古柯，这些植物是在茄科，但没有同源存在。D 'Auria和博士生Benjamin Chavez扩大了搜索范围，寻找编码酶的基因，假设这些酶可以执行通路所需的修改。他们将候选基因的范围缩小到在产生可卡因的组织中表达的基因。令人惊讶的是，他们发现了一种独特的亚精胺合成酶，EcSPMT，具有双重活性。EcSPMT在将腐胺转化为亚精胺和甲基化亚精胺之间切换。在茄科N-甲基腐胺直接由腐胺产生，但古柯使用EcSPMT和额外的亚精胺步骤来产生相同的甲基腐胺N-methylputrescine

“这在以前的文献中没有报道过，”查韦斯说EcSPMT，“一种酶可以接受两种不同的辅因子。“这也表明，在每个植物科中，丙二烷生物碱的合成是独立进化的。”

可卡因的另一个关键特征是它的双环结构。生成第二个环包括甲基化和环化步骤。D’auria和Huang都报道了细胞色素P450基因和相同的甲基转移酶的参与，但Huang认为环首先是闭合的，产生一种不稳定的中间物，称为经济gonone，然后甲基化生成甲基经济gonone。D 'Auria说，他们的酵母系统表明甲基化首先发生，然后是环闭合。

直到Opatz德国约翰内斯古登堡大学的有机化学家，他说这两种途径都是合理的，但黄提出的途径“有点违反直觉”。经过这些步骤的化合物含有β-酮酸，Opatz解释说，这种化合物易于脱羧。“问题是，首席执行官什么时候来₂发布了吗?。Opatz补充说，根据文献，“释放在循环之前或发生在循环中”。然而，“我自己进行了这个反应，你会发现羧酸盐留在了里面，之后你必须把它赶出去。”他说，这仍然是一个悬而未决的问题。

D 'Auria解释说，这项工作的目标不是廉价可卡因。独特的酶，如EcSPMT，添加到生物合成化学工具箱中。他说，基因和酶的组合可以进行试验，并有可能改善或创造独特的莨菪碱。他补充说，使用酵母也是绿色化学的一大步，因为它以有机废物为基础，完成了其他需要苛刻的化学物质和石油基产品的反应。