Sag løst:Forskere viser, hvordan det giftige nøddetræ danner stryknin

Et forskerhold ved Max Planck Institute for Chemical Ecology i Jena afslørede den komplette biosyntetiske vej til dannelsen af ​​stryknin i plantearten Strychnos nux-vomica (giftnød). Forskerne identificerede alle gener involveret i biosyntesen af ​​stryknin og andre metabolitter og udtrykte dem i modelplanten Nicotiana benthamiana. Dette gjorde dem i stand til at vise, at disse ekstremt komplekse og farmakologisk vigtige molekyler kan syntetiseres ved hjælp af "metabolic engineering"-metoder.

Mange af os kender stryknin fra krimier, romaner eller film. Agatha Christie fik flere af sine ofre til at dø af strykninforgiftning. Hun beskrev, hvad der sandsynligvis er den mest kendte fiktive mordsag, der involverer det meget giftige alkaloid, der blev brugt som rottegift i hendes første roman "The Mysterious Affair at Styles".

Det sidste spor til at løse sagen blev fundet af den berømte detektivkarakter Hercule Poirot i hans første litterære optræden. Også i videnskaben kræves der nogle gange efterforskningsinstinkt og detektivarbejde. Forskerne ledet af Benke Hong og Sarah O'Connor fra Department of Natural Product Biosynthesis skulle ikke kun finde ét manglende led, men optrevle hele kæden af ​​biosyntetiske begivenheder, der fører til dannelsen af ​​stryknin i det giftige nøddetræ. For at blive i kriminallitteraturens sprog kan man sige:De har opklaret sagen.

Kemikeren og nobelprisvinderen Robert Robinson, som var en af ​​de første til at belyse strukturen af ​​stryknin i 1940'erne, beskrev engang dette monoterpenindolalkaloid som det mest komplekse kemiske stof for dets molekylære størrelse. Mange kemikere var begejstrede over strykninmolekylets arkitektur og udviklede måder at fremstille dette molekyle på ved hjælp af kemisk syntese. Overraskende nok var det dog endnu ikke lykkedes nogen at finde ud af, hvordan planter producerer dette naturlige produkt.

Benke Hongs team har nu tacklet denne mammutopgave:"Vores nøglespørgsmål var, hvordan man finder generne, der er ansvarlige for biosyntesen af ​​stryknin i den giftige nød. Som et første skridt sammenlignede vi ekspressionen af ​​gener (transkriptom) fra to arter af samme slægt (Strychnos), men hvoraf kun det giftige nøddetræ producerer stryknin. Vi udvalgte kandidatgener for hvert trin baseret på den foreslåede kemiske transformation, som vi ikke vidste var korrekt eller ej," forklarer Benke Hong.

Opstrøms generne for strykninbiosyntese til dannelsen af ​​et vigtigt mellemprodukt (geissoschizin) er blevet fuldt belyst i lægeplanten Catharanthus roseus (Madagaskar periwinkle), som også undersøges i Sarah O'Connors afdeling, og de homologe gener er blevet identificeret i det giftige nøddetræ.

Yderligere fremskridt krævede en detektivs gave til at kombinere molekylære og genetiske spor, som videnskabsmænd kalder kemisk logik. "Man kan sige, at kemi styrede opdagelsen af ​​generne i vores undersøgelse. Baseret på kemiske strukturer og mekanismer gav hvert trin i den metaboliske vej en foreslået kemisk transformation. Til gengæld var vores spekulationer om de biosyntetiske enzymfamilier med katalytiske funktioner baseret på om den kemiske reaktion i hvert trin," sagde Sarah O'Connor, leder af Institut for Biosyntese af Naturprodukter, og beskrev forskningstilgangen.

Som bevis på, at de identificerede gener var ansvarlige for de foreslåede biosyntetiske trin, modificerede forskerne tobaksplanter (Nicotiana benthamiana) til midlertidigt at producere enzymerne fra Strychnos. Efter tilsætning af de passende fodermidler undersøgte de, om det formodede produkt var produceret af den transformerede tobaksplante. Denne metode tillod high-throughput test af flere gener samtidigt, hvilket forkortede den tid, der krævedes til at løse gåden.

Forskerne var ikke i stand til at finde et tilsvarende enzym, der katalyserede det sidste trin af strykninbiosyntesen, omdannelsen af ​​prestrychnin til stryknin. De indså i stedet, at denne omdannelse sker spontant uden et enzym. Som det ofte er tilfældet i både detektivarbejde og videnskab, kom tilfældighederne til undsætning:

"Den spontane omdannelse af prestrychnin til stryknin er en tilfældig opdagelse. Det kræver flere mellemtrin, og vi troede i starten, at denne proces skulle katalyseres af et eller flere enzymer. Faktisk har vi undersøgt mange enzymer, men ingen af ​​dem var reaktive. Overraskende nok fandt jeg en dag ud af, at en prestrychninprøve opbevaret ved stuetemperatur på laboratoriebænken langsomt var omdannet til stryknin over tid," siger Benke Hong.

Med mysteriet om det sidste trin løst, var forskerne således i stand til at belyse den komplette biosyntesevej for stryknin, såvel som de beslægtede molekyler brucin og diabolin. Mens brucin også produceres af giftnøden, produceres diabolin af en beslægtet art af slægten Strychnos, som hverken producerer stryknin eller brucin. Navnlig opdagede forskerne også, at kun en enkelt aminosyreændring i et af de biosyntetiske enzymer er ansvarlig for forskellen i alkaloidakkumulering i den giftige nød og andre Strychnos-arter.

Belysningen af ​​plantemetabolitbiosyntese og den bioteknologiske anvendelse af det genetiske grundlag for dannelsen af ​​medicinsk vigtige planteforbindelser i modelplanter er lovende forskningsfelter. Den aktuelle undersøgelse åbner op for nye muligheder for produktion af hidtil ukendte plantenaturprodukter ved hjælp af "metabolic engineering" tilgange. + Udforsk yderligere

Biosyntese af cyanobakterin åbner op for en ny klasse af naturlige forbindelser til anvendelse i medicin og landbrug