在马钱子碱的结构首次被描述75年后,研究人员发现了使自然界产生这种剧毒和复杂分子的完整生化途径。这项工作可以帮助科学家利用生物工程技术研制出强有力的候选药物,并更好地了解植物是如何制造其他复杂化学物质的。

马钱子碱这是一种在毒坚果树种子中发现的生物碱马钱子,是最苦、最毒的物质之一。它曾经被用作保健品的一种成分,但它因其有毒、诱导痉挛的作用而闻名,经常出现在谋杀悬疑和惊悚片中,包括阿加莎·克里斯蒂的第一部小说和阿尔弗雷德·希区柯克的小说《惊魂记》

这种天然产物在1818年首次被分离出来,但直到1946年和1947年,罗伯特·罗宾逊和罗伯特·伍德沃德才分别对其结构进行了独立的描述。1954年,它被认为是当时已知的最复杂的有机分子伍德沃德以全面综合而闻名这是有机化学领域的一个决定性时刻。然而,一个谜仍然存在。

不可抗拒的神秘

“似乎很难想象这种分子的完全合成已经实现,但我们仍然不明白植物是如何制造这种分子的,”他说莎拉·奥康纳他所在的德国耶拿马克斯-普朗克化学生态研究所的团队开始着手解开这个谜团。

士的宁的生物合成途径的一部分,开始于氨基酸色氨酸和香叶焦磷酸,是伍德沃德在1948年提出的,后来在20世纪70年代初得到了其他人的证实。然而,大多数酶和相应的基因需要在每个中间体之间的七个转换步骤,以达到士的宁仍然未知。

此前,奥康纳的团队在一种相关但不产生马钱子碱的植物上进行了实验,确定了形成一种名为“马钱子碱”的常见中间分子的第一步背后的酶geissoschizine.研究人员发现,这些酶也由毒坚果产生。但是阐明剩下的六个步骤是一个更难解决的问题。

早期的研究已经确定了中间产物的结构。因此,奥康纳的团队利用生物信息学和化学逻辑,找出了一种中间体形成另一种中间体的最有可能的方式,以及哪种类型的酶(如氧化酶或还原酶)可能催化每种转化。然后,算法识别出编码这些可能的酶的基因,这些酶也在毒坚果中表达。

研究人员随后在一种模型植物中表达了这些酶。用液相色谱-质谱联用技术对叶子提取物进行分析,最终揭示了使中间产物达到第五步的基因和酶,在第五步中,该途径产生维兰德-古姆利希醛。

自发反应

在这里,由于一个神秘的哌啶酮环被认为是由威兰-古姆利希醛形成的,并导致倒数第二种中间体,前士的宁,线索变得冷冰冰的。“我们被威兰德-古姆利希醛如何形成哌酮环难住了,”奥康纳解释说。之前的工作提供了醋酸盐被纳入结构的线索。“但我们不知道哪种蛋白质可以用醋酸盐作为底物来形成这个环。”

提出了士的宁和马钱子碱的生物合成途径

来源:©Benke Hong et al 2022

提出了士的宁和马钱子碱的生物合成途径。在前人放射性同位素投料实验的基础上,预测了部分生物合成途径。OPP、焦磷酸盐;GPP,焦磷酸香叶酰

为了找到答案,研究人员转向了一种相关的植物物种本文结合potatorum这种树不产士的宁。重要的是,代谢分析显示,在毒坚果树中发现的士的宁和其他生物碱在清理坚果树中是不存在的,而是产生一种叫做地酮类的生物碱。通过比较和对比这两种植物的基因,研究人员发现了一种有毒坚果特有的酶和士的宁的生物合成。

然而,从前士的宁到士的宁的最后一步产生了最大的惊喜,奥康纳说。研究小组给本文结合马钱子发现士的宁生物合成的最后一步在植物中非常缓慢。他们也找不到任何可以加速这一过程的酶。令人惊讶的是,当第一作者Benke香港我们分析了一份在室温下储存了一周的前马钱子碱样本,它部分自发地转化为马钱子碱。”

“对结构高度复杂的士的宁的整个生物合成途径的阐明,代表了一个真正令人印象深刻的最先进的植物途径发现之旅,”评论道Birger Lindberg Møller他在丹麦哥本哈根大学研究植物生物合成。“这项研究说明了植物是如何以相对较少的酶为基础构建出惊人复杂的天然产物的,并扩大了未来使用合成生物学方法生产所需高价值化合物的环境友好生产的限制。”