Tropanalkaloide sind eine besondere Klasse pflanzlicher Verbindungen, die seit der Domestizierung von Heilpflanzen von der Menschheit ausgebeutet werden. Die Verbreitung dieser Alkaloide ist über die Blütenpflanzen verstreut, und die zwei am besten untersuchten Familien umfassen die Solanaceae (Tomate, Tabak, Kartoffelverwandte) und die Erythroxylaceae (Coca). Die WHO listet mehrere Tropanalkaloide als einige der wichtigsten Arzneimittel im modernen Arzneibuch auf. Andere Verbindungen wie Kokain sind jedoch berüchtigter für ihre narkotischen und euphorisierenden Eigenschaften.
„Es ist entscheidend zu verstehen, wie Pflanzen diese Alkaloide produzieren, damit die Menschheit weiterhin auf der Natur aufbauen und neue nützliche Medikamente entwickeln kann“, sagt Dr. John D‘ Auria, Leiter der IPK-Forschungsgruppe „Metabolic Diversity“.
Das am besten untersuchte und charakterisierte System für die Tropanproduktion war historisch innerhalb von Solanaceae. Es sind mehr als zehn chemische Modifikationsschritte notwendig, um die anfänglichen Aminosäurevorläufer in die endgültigen aktiven Alkaloide umzuwandeln, und alle diese Schritte wurden in Nachtschattengewächsen identifiziert und charakterisiert.
Die verstreute Verbreitung von Tropanen unter Blütenpflanzen hat immer darauf hingewiesen, dass verschiedene Familien möglicherweise die Fähigkeit entwickelt haben, diese Alkaloide unabhängig voneinander zu produzieren. Tatsächlich wurde bereits dokumentiert, dass sich mehrere Schritte der Tropanbiosynthese innerhalb von Mitgliedern der Erythroxylaceae unabhängig voneinander entwickelt haben.
„Wir haben in den letzten 15 Jahren an der Aufklärung des von Koka abgeleiteten Tropan-Stoffwechselwegs gearbeitet und waren erfolgreich bei der Arbeit an mehreren Schlüsselschritten in der Biosynthese von Kokain und anderen verwandten Tropanen in Koka“, sagen die Forscher. „Die Vorstellung, dass Coca ähnliche Enzyme und Gene mit ihren entfernten Nachtschattenverwandten teilen würde, war falsch. Während die endgültige Struktur von Tropanen ähnlich ist, ist der Weg, der zu diesen Alkaloiden führt, anders.“
Um die letzten verbleibenden Schritte des Stoffwechselwegs in Coca zu entdecken, arbeitete Dr. D‘ Auria mit dem Labor von Dr. Christina Smolke von der Stanford University zusammen. Die Smolke-Gruppe ist Experte für die Manipulation von Hefe und Mikroorganismen zur Herstellung wichtiger medizinischer Verbindungen mit Methoden der synthetischen Biologie. Ihre kombinierte Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.
„Mit [the Smolke group’s] Mithilfe der multiplikativen Kraft der Genmanipulation in Hefe haben wir viele verschiedene Genkandidaten für die fehlenden Schritte im Coca-Signalweg getestet. Im Wesentlichen haben wir bei jedem unbekannten Schritt mehrere Kandidatensequenzen entworfen und getestet“, berichten die Forscher.
Diese Kandidatensequenzen stammen aus Transkriptomstudien, die in der Gruppe von Dr. John D‘ Auria sowie der Gruppe von Dr. Lyndel Meinhardt vom USDA in Beltsville, Maryland (USA) durchgeführt wurden.
„Mithilfe dieser leistungsstarken Genentdeckungsplattform haben wir erfolgreich alle verbleibenden ‚fehlenden Schritte‘ für die Tropanbiosynthese in Koka identifiziert. Dies stellt den Höhepunkt von mehr als zehn Doktorandenprojekten in meiner Gruppe und 15 Jahren meiner Forschung dar“, sagt Dr. D „Aurie.
Der bedeutendste Teil der Ergebnisse bestätigt nun, dass sich die Tropan-Biosynthese während der Evolution der Blütenpflanzen mindestens zweimal unabhängig voneinander entwickelt hat. „Das ist wichtig, weil wir in unserer Studie auch zeigen, dass man die Solanaceae- und Erythroxylaceae-Gene mischen und zusammenbringen und Tropane produzieren kann“, sagen die Forscher. Einfach gesagt, die Forschung bietet synthetischen Biologen mehrere Werkzeuge, um mit der Gestaltung des Tropan-Alkaloid-Wegs in Organismen zu beginnen, die sie noch nie zuvor produziert haben, und mit der Möglichkeit, verschiedene Enzyme für ähnliche Schritte zu verwenden, ist es möglich, diese Schritte zu optimieren oder zu modifizieren spezifische chemische Ergebnisse.
„Darüber hinaus zeigen wir auch, dass der Anfangsabschnitt des Weges in Koka über einen interessanten ‚Umweg‘ oder alternativen Weg verläuft, der bei Nachtschattengewächsen nicht existiert“, sagt Benjamin Chavez, der Erstautor der Studie und Ph. D. Student im D’Auria-Labor. „Dies gibt Aufschluss darüber, wie der Pflanzenstoffwechsel Lösungen für biochemische Herausforderungen finden kann. Wir können nämlich das Zusammenspiel zwischen frühen Vorläufern und ihren Engpässen verstehen.“
Schließlich entdeckten die Forscher ein spezifisches Enzym, das für die sogenannte „Carbomethoxygruppe“ verantwortlich ist, die ausschließlich in Coca-Alkaloiden vorkommt. Nachtschatten-Arten haben diese Modifikation nicht. Die Carbomethoxygruppe ist mitverantwortlich für die euphorisierenden Eigenschaften von Kokain.
Mehr Informationen:
Aufklärung der Tropan-Alkaloid-Biosynthese in Erythroxylum coca unter Verwendung einer mikrobiellen Entdeckungsplattform, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2215372119
Zur Verfügung gestellt vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung