Giftnötträd Strychnos nux-vomica. Kredit:Danny Kessler, Max Planck Institute for Chemical Ecology
En forskargrupp vid Max Planck Institute for Chemical Ecology i Jena avslöjade den fullständiga biosyntetiska vägen för bildandet av stryknin i växtarten Strychnos nux-vomica (giftnöt). Forskarna identifierade alla gener involverade i biosyntesen av stryknin och andra metaboliter och uttryckte dem i modellväxten Nicotiana benthamiana. Detta gjorde det möjligt för dem att visa att dessa extremt komplexa och farmakologiskt viktiga molekyler kan syntetiseras med hjälp av "metabolic engineering"-metoder.
Många av oss känner till stryknin från brottsreportage, romaner eller filmer. Agatha Christie fick flera av sina offer att dö av strykninförgiftning. Hon beskrev vad som förmodligen är det mest kända fiktiva mordfallet med den mycket giftiga alkaloiden som användes som råttgift i hennes första roman "The Mysterious Affair at Styles".
Den sista ledtråden till att lösa fallet hittade den berömda detektivkaraktären Hercule Poirot i hans första litterära framträdande. Även inom vetenskapen krävs ibland utredningsinstinkt och detektivarbete. Forskarna ledda av Benke Hong och Sarah O'Connor från Institutionen för biosyntes av naturprodukter var inte bara tvungna att hitta en saknad länk, utan också reda ut hela kedjan av biosyntetiska händelser som leder till bildandet av stryknin i det giftiga nötträdet. För att hålla sig på kriminallitteraturens språk skulle man kunna säga:De har löst fallet.
Kemisten och Nobelpristagaren Robert Robinson, som var en av de första att klargöra strukturen hos stryknin på 1940-talet, beskrev en gång denna monoterpenindolalkaloid som den mest komplexa kemiska substansen för sin molekylstorlek. Många kemister var entusiastiska över strykninmolekylens arkitektur och utvecklade sätt att producera denna molekyl med hjälp av kemisk syntes. Överraskande nog hade ingen ännu lyckats ta reda på hur växter producerar denna naturprodukt.
Benke Hongs team har nu tagit sig an denna enorma uppgift:"Vår nyckelfråga var hur man hittar generna som är ansvariga för biosyntesen av stryknin i den giftiga nöten. Som ett första steg jämförde vi uttrycket av gener (transkriptom) från två arter av samma släkte (Strychnos), men av vilka endast det giftiga nötträdet producerar stryknin. Vi valde ut kandidatgener för varje steg baserat på den föreslagna kemiska omvandlingen, som vi inte visste var korrekt eller inte, förklarar Benke Hong.
Uppströmsgenerna för strykninbiosyntesen till bildandet av en viktig mellanprodukt (geissoschizin) har klarlagts fullt ut i medicinalväxten Catharanthus roseus (Madagaskar snäcka), som också studeras på Sarah O'Connors avdelning, och de homologa generna har identifierats i det giftiga nötträdet.
Ytterligare framsteg krävde en detektivs gåva för att kombinera molekylära och genetiska ledtrådar, som forskare kallar kemisk logik. "Man kan säga att kemin styrde upptäckten av generna i vår studie. Baserat på kemiska strukturer och mekanismer gav varje steg i den metaboliska vägen en föreslagen kemisk transformation. I sin tur baserades våra spekulationer om de biosyntetiska enzymfamiljerna med katalytiska funktioner. om den kemiska reaktionen i varje steg", sa Sarah O'Connor, chef för Institutionen för biosyntes av naturprodukter, som beskrev forskningsmetoden.
Som bevis på att de identifierade generna var ansvariga för de föreslagna biosyntetiska stegen, modifierade forskarna tobaksväxter (Nicotiana benthamiana) för att tillfälligt producera enzymerna från Strychnos. Efter att ha tillsatt lämpliga foderråvaror undersökte de sedan om den antagna produkten producerades av den transformerade tobaksplantan. Denna metod gjorde det möjligt att testa flera gener med hög genomströmning samtidigt, vilket förkortade tiden som krävs för att lösa pusslet.
Forskarna kunde inte hitta ett motsvarande enzym som katalyserade det sista steget av strykninbiosyntesen, omvandlingen av prestrychnin till stryknin. De insåg istället att denna omvandling sker spontant, utan ett enzym. Som ofta är fallet i både detektivarbete och vetenskap, kom slumpen till undsättning:
"Den spontana omvandlingen av prestrychnin till stryknin är en slumpmässig upptäckt. Det kräver flera mellansteg, och vi trodde från början att denna process måste katalyseras av ett eller flera enzymer. Faktum är att vi har studerat många enzymer, men inget av dem var reaktivt Överraskande nog upptäckte jag en dag att ett prestrychninprov som lagrats i rumstemperatur på laboratoriebänken långsamt hade omvandlats till stryknin över tiden, säger Benke Hong.
Med mysteriet med det sista steget löst kunde forskarna således belysa den fullständiga biosyntetiska vägen för stryknin, såväl som de relaterade molekylerna brucin och diabolin. Medan brucin också produceras av giftnöten, produceras diabolin av en besläktad art av släktet Strychnos, som inte producerar vare sig stryknin eller brucin. Noterbart upptäckte forskarna också att endast en enda aminosyraförändring i ett av de biosyntetiska enzymerna är ansvarig för skillnaden i alkaloidackumulering i den giftiga nöten och andra Strychnos-arter.
Belysningen av växtmetabolitbiosyntesen och den biotekniska användningen av den genetiska grunden för bildning av medicinskt viktiga växtföreningar i modellväxter är lovande forskningsområden. Den aktuella studien öppnar för nya möjligheter för produktion av tidigare okända växtnaturprodukter med hjälp av "metabolic engineering"-metoder. + Utforska vidare
