مسیر تولید گیاهان کوکا برای کوکائین سرانجام پرده برداشت

مسیر استفاده شده توسط گیاهان کوکا برای تولید کوکائین آلکالوئید تروپان از آنجا که برای اولین بار در سال 1855 جدا شد ، یک راز باقی مانده است. اکنون ، دو گروه مراحل گمشده در بیوسنتز آن را گزارش کرده اند.

آلکالوئیدهای تروپان متابولیتهای ثانویه تولید شده در گونه های مختلف گیاهان هستند. کوکائین از اریتروکسیلوم کوکا و نیکوتین از چندین گونه در خانواده Solanaceae دو مشهورترین آنها هستند. برخی دیگر ، مانند اسکوپولامین ، لیتورین و هیوسسی آمین داروهای مهم هستند.

بیوشیمیست جان D'Auria در انستیتوی ژنتیک گیاهی Leibniz و تحقیقات گیاهان زراعی تیمی را هدایت کرد که از یک سکوی غربالگری مخمر برای آشکار کردن کل مسیر بیوسنتزیک کوکائین در E. Coca استفاده کرد. 1 گروهی به سرپرستی شنگ-آژیونگ هوانگ در انستیتوی گیاه شناسی کوننمینگ در چین نیز به طور مستقل بخشی از همان مسیر را منتشر کردند. 2 این دو مقاله یافته های مشابهی را گزارش می کنند اما در مورد ترتیب یک متیلاسیون و مرحله بسته شدن حلقه منحصر به فرد برای این آلکالوئیدهای تروپان هتروسیکلیک مخالف هستند.

D'Auria 15 سال است که این مسیر را مورد مطالعه قرار داده است و از راه های منحصر به فرد گیاهان کوکا آلکالوئیدهای تروپان تولید می کند."کوکا این کار را متفاوت انجام می دهد ،" تأکید می کند که D'Auria.

کشف مسیر با یک رویکرد مبتنی بر همسانی آغاز شد. این شامل یافتن گیاهان مرتبط با تهیه مولکول های مشابه و به دنبال ژن های مشابه یا همولوگ است. برای COCA این گیاهان در خانواده Solanaceae قرار دارند ، اما هیچ همولوگ وجود ندارد. Benjamin Chavez دانش آموز D'Auria و دکترا ، جستجو را گسترش داد و به دنبال آنزیم های کد کننده ژن ها بود که می توانند به طور فرضیه اصلاحات مورد نیاز مسیر را انجام دهند. آنها لیست نامزدها را به ژنهای بیان شده در بافت هایی که کوکائین تولید می کنند ، محدود کردند. با کمال تعجب ، آنها یک سنتاز اسپرمیدین منحصر به فرد ، ECSPMT را با فعالیت دوگانه کشف کردند. ECSPMT بین تبدیل پودسین به اسپرمیدین و اسپرمیدین متیلاسیون تغییر می کند. در solanaceae n-methylputrescine مستقیماً از پوتروسین تولید می شود اما کوکا از مراحل ECSPMT و اسپرمیدین اضافی برای تولید همان n-methylputrescine استفاده می کند

چاوز از ECSPMT می گوید: "این قبلاً در ادبیات گزارش نشده است.

مسیر کامل بیوسنتزیک کوکائین

یکی دیگر از ویژگی های کلیدی کوکائین ساختار دو حلقه ای آن است. ایجاد حلقه دوم شامل یک مرحله متیلاسیون و چرخه شدن است. هم D'Auria و هم Huang از دخالت یک ژن سیتوکروم P450 و همان متیل ترانسفراز خبر می دهند، اما هوانگ معتقد است حلقه ابتدا بسته می شود و یک واسطه ناپایدار به نام اکگونون تولید می کند که سپس متیله می شود تا متیل لکگونون بسازد. D'Auria می گوید سیستم مخمر آنها نشان می دهد که متیلاسیون ابتدا رخ می دهد و سپس حلقه بسته می شود.

تیل اوپاتز، شیمیدان آلی در دانشگاه یوهانس گوتنبرگ در آلمان، می گوید که هر دو مسیر قابل قبول هستند، اما مسیر پیشنهادی هوانگ «کمی غیر منطقی» است. ترکیبی که این مراحل را طی می کند حاوی یک بتا-کتو اسید است که Opatz توضیح می دهد که مستعد دکربوکسیلاسیون است. سوال این است که CO چه زمانی است₂Opatz اضافه می کند که طبق ادبیات، «انتشار قبل از چرخه سازی اتفاق می افتد یا اتفاق می افتد». با این حال، «با اجرای واکنش، متوجه می شوید که کربوکسیلات درون آن باقی می ماند و بعداً باید آن را بیرون بیاورید». او می گوید که این هنوز یک سوال باز است.

D'Auria توضیح می دهد که هدف این کار کوکائین ارزان قیمت نیست. آنزیم های منحصر به فرد، مانند EcSPMT، به جعبه ابزار شیمی بیوسنتزی اضافه می شوند. او می گوید ترکیبی از ژن ها و آنزیم ها را می توان آزمایش کرد و به طور بالقوه باعث بهبود یا ایجاد آلکالوئیدهای تروپان منحصر به فرد می شود. او می افزاید: استفاده از مخمر همچنین گام بزرگی برای شیمی سبز است، زیرا روی زباله های آلی کار می کند و واکنش هایی را تکمیل می کند که در غیر این صورت به مواد شیمیایی خشن و محصولات مبتنی بر نفت نیاز دارند.

منابع

1 B Chavez et al., Proc. Natl. آکادمیعلمیایالات متحده آمریکا، 2022، DOI: 10. 1073/pnas. 2215372119