历时15年，古柯植物托烷生物碱合成「缺失步骤」终被确认

作者|生辉SynBio 来源|生辉SynBio(ID：SciPhi_SynBio)

托烷生物碱是存在于多种植物中的天然成分，这些生物碱多分布于开花植物，研究最多的两个科包括来自茄科（番茄、烟草、马铃薯近缘植物）和红木科（古柯）的生物碱。已知有超过 200 种不同的托烷生物碱，世界卫生组织将几种托烷生物碱列为现代药典中最重要的药物之一。

在古柯属中，Erythroxylum coca 和 Erythroxylum novogranatense 是最广泛用于生产可卡因的物种。来自德州理工大学生物化学系助理教授 John D'Auria 长期致力于阐明导致古柯植物中托烷生物碱产生的生物化学步骤。

近日，John D'Auria 领导的团队联合斯坦福大学 Christina Smolke 教授的团队在 PNAS 上发文表示，已经确定了古柯中托烷生物碱生物合成的最后剩余步骤。这项成果也代表了 D'Auria 小组十多个研究生的项目及其 15 年研究的结晶。

在过去的 15 年里，John D'Auria 及团队一直致力于阐明古柯衍生的托烷途径，并成功地研究了古柯中可卡因和其他相关托烷生物碱合成的几个关键步骤。

为了发现古柯途径的最后剩余步骤，D'Auria 与斯坦福大学的 Christina Smolke 博士的实验室合作。Smolke 小组是通过合成生物学方法操纵酵母和微生物生产重要药用化合物的专家。

在 Smolke 小组的帮助下，研究人员利用酵母中基因操作的倍增能力来测试古柯植物托烷生物碱合成途径中缺失步骤的许多不同候选基因。在每个未知步骤中，研究人员设计并测试了多个候选序列。这些候选序列源自 John D'Auria 博士的小组以及贝尔茨维尔农业研究中心的 Lyndel Meinhardt 博士小组。

研究结果表明，在开花植物的进化过程中，托烷生物合成至少独立进化了两次。“这很重要，因为我们在研究中还表明，可以混合搭配茄科和红木科的基因产生托烷。”

通俗地说，这项研究为合成生物学家提供了多种工具，可以开始在以前从未产生过托烷生物碱的生物体中设计托烷生物碱途径，并且由于能够将不同的酶用于类似的步骤，因此有可能优化或修改这些步骤以实现具体的化学结果。

“我们还表明，古柯途径的开始部分是通过一条有趣的迂回或替代路线进行的，在茄科物种中是不存在的，这提供了有关植物新陈代谢如何找到解决生化挑战的方法的见解。也就是说，我们可以了解早期前体与其瓶颈之间的相互作用。”

此外，研究人员还发现了一种特定的酶，这种酶负责专门存在于古柯生物碱中的一种修饰，此修饰在茄科植物中没有。

参考资料：

1.Elucidation of tropane alkaloid biosynthesis in Erythroxylum coca using a microbial pathway discovery platform, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2215372119

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