最后一个步骤托烷生物碱生物合成途径的确定

托烷生物碱是植物提取的特定类化合物已经被人类驯养以来药用植物。这些生物碱的分布是分散在开花植物和两个研究最多的家庭包括那些从茄科(番茄、烟草、马铃薯的亲戚)和古柯科(可口)。

世界卫生组织列出了几个托烷生物碱的一些最重要的药品现代药典。然而其他化合物如可卡因更臭名昭著的麻醉和令人欣快的属性。“这是至关重要的理解植物如何生产这些生物碱以自然为人类继续建立和发展新的有用的药物”,约翰博士说D ' IPK研究小组的负责人Auria“代谢多样性”。

研究最多的和特征系统内托烷生产历来是茄科。有超过十个化学改性必要步骤开始氨基酸前体转变成最终的活性生物碱和所有这些步骤特征识别和茄属的植物。托烷的分散分布在开花植物一直暗示不同的家庭可能已经开发出能够独立生产这些生物碱。事实上,几个步骤托烷生物合成已经记录在古柯科的成员独立进化。

“我们一直致力于阐明可口派生托烷通路在过去的15年里,我们已成功地在生物合成中的几个关键步骤的可卡因和其他相关托烷可口”,IPK研究员说。“古柯会与他们分享相似的酶和基因遥远的茄属的亲戚是不正确的。虽然托烷的最终结构是相似的,这些生物碱的途径主要是不同的。”

为了发现可口的途径的最后步骤,约翰·D ' Auria博士与斯默克教授克里斯蒂娜从斯坦福大学博士的实验室。斯默克教授组专家控制酵母和微生物产生重要的药用化合物通过合成生物学方法。“与他们的援助,我们使用了乘法的力量操纵基因的酵母测试许多不同的基因的候选失踪的古柯通路中的步骤。在本质上,在每一个未知的步骤中,我们设计并测试了多个候选序列。“这些候选序列起源于转录组研究执行博士约翰D ' Auria博士的团队以及团队Lyndel莱恩从美国农业部在贝茨维尔,马里兰州(美国)。“使用这种强大的基因发现平台,我们成功地识别所有剩下的“失踪的步骤”托烷生物合成可口。这代表了十多个研究生项目的高潮在我集团和15年的研究”,约翰·D ' Auria博士说。

现在最重要的部分研究结果证实,托烷生物合成中独立进化而来的至少两次开花植物的进化。“这很重要,因为我们在研究中还显示,你可以混合和匹配古柯科和茄科基因和产生托烷”,说IPK reseracher。通俗地说,就是研究提供了多个工具合成生物学家开始设计托烷生物碱在生物通路从来没有产生之前,和类似的步骤使用不同的酶的能力,可以优化为特定的化学或修改这些步骤的结果。

“此外,我们也显示,开始部分的通路可口收益的一个有趣的“绕道”或替换路线不存在于茄属的物种”,这项研究的第一作者本杰明•查韦斯表示,博士生D 'Auria实验室。“这提供了见解在植物代谢生化挑战可以找到解决方案。也就是说,我们可以理解早期前兆之间的相互作用和他们的瓶颈。”

最后,研究人员发现了一个特定的酶负责所谓的“carbomethoxy集团”目前只在古柯碱。茄属的物种没有这一修改。carbomethoxy集团部分负责令人欣快的可卡因的属性。

参考:查韦斯B等。说明Erythroxylum可口使用微生物托烷生物碱生物合成的途径发现平台。《美国国家科学院学报》上。2022年。doi:10.1073 / pnas.2215372119。

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