Smrtonosni, a Lekoviti: Otkriveno Šest Enzima Koji Sintetišu Atisinium U Vukodlaci I Rugalici

Biljke iz rodova Aconitum (vukodlaka) i Delphinium (rugalica) stvaraju vrlo kompleksne diterpenoidne alkaloide — neke izrazito toksične, druge potencijalno lekovite. Novi rad istraživača sa Michigan State University i Češke akademije nauka identifikovao je šest enzima koji zajedno grade rani biosintetski put za spoj atisinium i uspešno je rekonstruisao u Nicotiana benthamiana. Ovaj napredak otvara mogućnost održive proizvodnje i testiranja ovih teško dostupnih biljnih molekula.

A larkspur specimen in bloom at Beal Botanical Garden. Known for their toxicity, injurious plants such as larkspur and wolfsbane have been leveraged by humans for millennia for their medicinal potential. (CREDIT: Paul Henderson)

Šta su diterpenoidni alkaloidi i zašto su važni?

Diterpenoidni alkaloidi kombinuju strukturalne elemente terpenoida i alkaloida, što ih čini hemijski složenim i teškim za potpunu laboratorijsku sintezu. Poznati primer je aconitin — snažan neurotoksin iz vukodlake — koji sadrži šest međusobno povezanih prstenova i 15 stereocentara. Ipak, neki iz iste grupe pokazuju analgetička, antiplazmodijska i antikancerogena svojstva, a pojedini se koriste i kao nenarkotički analgetici.

Working with Lansing local artist Marissa Tawney Thaler, the researchers crafted a special cover for Molecular Plant. The final design includes purple wolfsbane, indigo larkspur, a brown-and-gold cell culture in a petri dish, as well as a molecular representation of atisinium with color-coded nodes for oxygen and nitrogen atoms. (CREDIT: Marissa Tawney Thaler)

Kako su istraživači pristupili problemu?

Tim je sekvencirao RNK iz različitih tkiva Delphinium grandiflorum, Aconitum plicatum i Aconitum lycoctonum, uz analizu javno dostupnih podataka iz još četiri Aconitum vrste. Pošto se ove supstance često nakupljaju u korenu, istraživači su tražili gene s pojačanom ekspresijom u korenu. Među 2.123 predviđena transkripta citohroma P450 (284 u D. grandiflorum) suzili su listu na šest kandidata za ispitivanje, od kojih su tri pokazala aktivnost u modifikaciji početnog skafolda ent-atiserena.

Proposed biosynthetic pathway toward diterpenoid alkaloids. (CREDIT: Björn Hamberger et al, Molecular Plant)

Ključni rezultati

• Identifikovano je šest enzima dovolјnih za rekonstrukciju ranog puta prema atisiniumu.
• Pronađen je novi reduktazni enzim nazvan diterpenoid alkaloid synthase (DAS), koji zajedno sa ostalim enzimima omogućava formiranje atisinium-a.
• Rekonstruisani geni uspešno su izraženi u Nicotiana benthamiana, koja je služila kao privremena «biološka fabrika».
• Izotopno-označeni eksperimenti pokazali su da etanolamin, a ne očekivani etilamin, predstavlja glavni izvor azota u ranim fazama sinteze; to su potvrdile i kalus kulture A. plicatum, pri čemu su atisinium i aconitin inkorporirali označeni etanolamin.
• Analiza hemijskih podataka izdvojila je 61 kandidata za terpenoidne alkaloide, od kojih je 41 pokazalo inkorporaciju etanolamina.

Zašto je ovo značajno?

Rekonstruisan rani biosintetski put omogućava istraživačima da proizvode i testiraju ove složene prirodne proizvode u modelnim organizmima, bez oslanjanja na sporu i neefikasnu ekstrakciju iz matičnih biljaka ili na tešku hemičku sintezu. To potencijalno ubrzava preklinička ispitivanja i razvoj novih lekova inspirisanih prirodnim produktima.

Visual representation of the search strategy for candidate CYPs. CYPs mined from each transcriptome were grouped into distinct clans through a sequence similarity network, and each clan was built into an individual phylogenetic tree. (CREDIT: Björn Hamberger et al, Molecular Plant)

Ograničenja i sledeći koraci

Iako je atisinium put rekonstruisan, put do veoma kompleksnih molekula poput aconitina još nije kompletiran — mnogi «downstream» enzimi ostaju nepoznati, a kasni koraci biosinteze mogu se razlikovati među vrstama i tkivima. Potrebna su dalja istraživanja kako bi se otkrile kasnije enzimatske transformacije i procenili farmakološki profili i bezbednost dobijenih spojeva.

An UpSet plot showing shared and unique putative terpenoid alkaloids across callus cultures and leaf, flower, and root tissue of A. plicatum. (CREDIT: Björn Hamberger et al, Molecular Plant)

Napomena o bezbednosti: Mnogi diterpenoidni alkaloidi su izuzetno toksični. Bilo kakav rad sa njima zahteva stroge laboratorijske standarde i regulativu.

Rad je objavljen u časopisu Molecular Plant. Autori ističu potencijal za «zelenu» i održivu proizvodnju lekovima inspirisanih biljnim prirodnim proizvodima, ali i potrebu za dalje razjašnjenje složenih biosintetskih puteva.