Il mistero di come le piante producono la stricnina è stato risolto 75 anni dopo la caratterizzazione

 


Settantacinque anni dopo la prima caratterizzazione della struttura della stricnina, i ricercatori hanno scoperto il percorso biochimico completo che consente alla natura di produrre questa molecola altamente velenosa e complessa. Il lavoro potrebbe aiutare gli scienziati a bioingegnerizzare potenti farmaci candidati, oltre a comprendere meglio come le piante producono altre sostanze chimiche complesse.

La stricnina , un alcaloide che si trova nei semi della noce velenosa , Strychos nux-vomica , e specie affini, è una delle sostanze più amare e velenose. Un tempo era usato come ingrediente nei tonici per la salute, ma è stato per i suoi effetti velenosi e provocatori di spasmi che è diventato famoso, spesso comparendo in gialli e thriller, tra cui il primo romanzo di Agatha Christie e Psycho di Alfred Hitchcock .

Il prodotto naturale fu isolato per la prima volta nel 1818 ma fu solo nel 1946 e nel 1947 che la sua struttura fu caratterizzata indipendentemente rispettivamente da Robert Robinson e Robert Woodward. Considerata all'epoca come la molecola organica più complessa conosciuta, nel 1954 Woodward aveva notoriamente incrinato la sua sintesi totale , un momento determinante nel campo della chimica organica. Eppure un enigma è rimasto.


Un mistero irresistibile

"Sembrava difficile immaginare che la sintesi totale di questa molecola fosse stata raggiunta, ma ancora non capivamo come la pianta producesse questa molecola", afferma Sarah O'Connor , il cui team presso il Max-Planck Institute for Chemical Ecology di Jena , Germania, ha deciso di risolvere il mistero.

Parte della via biosintetica della stricnina, che inizia con l'amminoacido triptofano e geranil pirofosfato , era stata proposta da Woodward nel 1948 e successivamente confermata da altri all'inizio degli anni '70. Tuttavia, la maggior parte degli enzimi e dei geni corrispondenti richiesti per i sette passaggi di conversione tra ciascun intermedio per arrivare alla stricnina erano rimasti sconosciuti.

Precedenti esperimenti condotti dal team di O'Connor con una pianta correlata, ma non produttrice di stricnina, avevano determinato gli enzimi dietro il primo passaggio che forma una molecola intermedia comune chiamata geissoschizina . Questi enzimi, hanno scoperto i ricercatori, sono prodotti anche dalla noce velenosa. Ma chiarire i sei passaggi rimanenti è stato più difficile da decifrare.

Studi precedenti avevano già identificato le strutture degli intermedi. Quindi il team di O'Connor ha utilizzato la bioinformatica e la logica chimica per elaborare il modo più probabile in cui un intermedio potrebbe formare l'altro e quale tipo di enzima, come un'ossidasi o una reduttasi, potrebbe potenzialmente catalizzare ogni trasformazione. Gli algoritmi hanno quindi identificato i geni che codificano per questi possibili enzimi che erano anche espressi nella noce velenosa.

I ricercatori hanno quindi espresso questi enzimi in una pianta modello. Le analisi di estratti di foglie con cromatografia liquida e spettroscopia di massa hanno infine rivelato i geni e gli enzimi che hanno creato gli intermedi fino al passaggio cinque, dove il percorso produce un'aldeide Wieland-Gumlich.


Reazione spontanea

Qui, il sentiero si è raffreddato a causa di un misterioso anello di piperidone che si pensava si fosse formato dall'aldeide Wieland-Gumlich e conducesse al penultimo intermedio, la prestricnina. "Siamo rimasti sconcertati dal modo in cui potrebbe aver luogo la formazione dell'anello piperidone dall'aldeide Wieland-Gumlich", spiega O'Connor. Il lavoro precedente ha offerto indizi sul fatto che l'acetato fosse incorporato nella struttura. "Ma non avevamo idea di quale tipo di proteina potesse utilizzare l'acetato come substrato per formare questo anello".

Il percorso di biosintesi proposto per stricnina e brucina

Source: © Benke Hong et al 2022

Il percorso di biosintesi proposto per stricnina e brucina. Il percorso biosintetico parziale è stato previsto sulla base di precedenti esperimenti di alimentazione radioisotopica. OPP, pirofosfato; GPP, geranil pirofosfato


Per scoprirlo, i ricercatori si sono rivolti a una specie di pianta correlata Strychnos potatorum , o l'albero delle noci, che non produce stricnina. Fondamentalmente, le analisi metaboliche hanno rivelato che la stricnina e altri alcaloidi presenti nell'albero della noce velenosa sono assenti nell'albero della noce di compensazione, che invece produce un alcaloide chiamato diabolino. Confrontando e mettendo a confronto i geni delle due piante, i ricercatori hanno identificato un enzima unico per le noci avvelenate e la biosintesi della stricnina.

Tuttavia, è stato il passaggio finale dalla prestricnina alla stricnina a suscitare la sorpresa più grande, afferma O'Connor. Il team ha nutrito un precursore etichettato di Strychnos nux-vomica e ha scoperto che l'ultimo passaggio della biosintesi della stricnina era molto lento nella pianta. Inoltre, non sono riusciti a trovare alcun enzima che potesse accelerare il processo. "Sorprendentemente, quando l'autore principale Benke Hong ha analizzato un campione di prestricnina che era stato conservato a temperatura ambiente per una settimana, si è convertito parzialmente e spontaneamente in stricnina".

"La spiegazione dell'intero percorso biosintetico per la stricnina strutturalmente altamente complessa rappresenta un tour-de-force davvero impressionante attraverso la scoperta del percorso delle piante", commenta Birger Lindberg Møller , che studia la biosintesi delle piante all'Università di Copenaghen , Danimarca. "Lo studio illustra come le piante basate su relativamente pochi enzimi riescano a costruire prodotti naturali sorprendentemente complessi e ampliano i limiti per la futura produzione ecologicamente benigna dei composti desiderati di alto valore utilizzando gli approcci della biologia sintetica".


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