Nature：首次发现马钱子植物中的番木鳖碱生物合成途径

在一项新的研究中，来自德国马克斯-普朗克化学生态研究所的研究人员揭示了植物马钱子（Strychnos nux-vomica）中形成番木鳖碱（strychnine，也译为士的宁，马钱子碱）的完整生物合成途径。他们确定了参与番木鳖碱和其他代谢物的生物合成的所有基因，并在模式植物本氏烟草（Nicotiana benthamiana）中表达了这些基因。这使他们能够证实这些极其复杂和具有药理学意义的分子可以用“代谢工程（metabolic engineering）”方法合成。相关研究结果于2022年7月6日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Biosynthesis of strychnine”。

我们中的许多人从犯罪报告、小说或电影中知道番木鳖碱。美国谋杀悬疑作家Agatha Christie让几名受害者死于番木鳖碱中毒。她在她的第一部小说《斯泰尔斯的神秘案件》中描述了可能是最著名的涉及这种用作老鼠药的剧毒生物碱的虚构谋杀案。

侦破这一案件的最后线索是由著名的侦探角色Hercule Poirot在他的第一次文学作品中发现的。在科学领域，有时也需要调查的本能和侦探的工作。

在马克斯-普朗克化学生态研究所天然产物生物合成系的Benke Hong和Sarah O'Connor的领导。这些作者不仅要找到一个缺失的环节，还要解开导致马钱子中番木鳖碱形成的整个生物合成事件链。用犯罪文学的语言来说，可以说他们已经侦破这一案件了。

诺贝尔奖获得者Robert Robinson是20世纪40年代最早阐明番木鳖碱结构的人之一，他曾就分子大小而言将这种单萜类吲哚生物碱描述为最复杂的化学物质。许多化学家对番木鳖碱的结构感到兴奋，并开发了使用化学合成法生产这种分子的方法。然而，令人惊讶的是，还没有人成功地发现植物如何生产这种天然产物。

这些作者如今解决了这项艰巨的任务：“我们的关键问题是如何找到负责马钱子中番木鳖碱生物合成的基因。作为第一步，我们比较了同属（马钱子属）的两个物种的基因表达（转录组），但其中只有马钱子产番木鳖碱。我们根据所提出的化学转化为每个步骤选择候选基因，我们并不知道这种化学转化是否正确。”

在药用植物长春花（Catharanthus roseus）中，番木鳖碱生物合成的上游基因对一个重要的中间体（geissoschizine）的形成已经被完全阐明，并且在马钱子中已经确定了它们的同源基因。

进一步的进展需要侦探的天赋来结合分子和基因线索，科学家们称之为化学逻辑。O'Connor在描述这种研究方法时说，“你可以说化学指导了我们研究中的基因的发现。基于化学结构和机制，这种代谢途径的每一步都产生了一个所提出的化学转化。反过来，我们对具有催化功能的生物合成酶家族的推测也是基于每一步的化学反应。”

作为已确定的基因负责所提出的生物合成步骤的证据，这些作者对本氏烟草进行了基因改造，使其暂时产生来自马钱子属的酶。在加入适当的饲养材料后，他们又研究了这些经过基因嘎子的本氏烟草是否产生了假设的产物。这种方法允许同时对多个基因进行高通量测试，从而缩短了破解这一谜团所需的时间。

发现达波灵碱、番木鳖碱和二甲马钱子碱生物合成途径，图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04950-4。

这些作者未能找到催化番木鳖碱生物合成最后一步的相应酶，即番木鳖碱前体到番木鳖碱的转化。他们转而意识到，这种转换是自发发生的，没有酶的作用。正如在侦探工作和科学中经常出现的情况一样，机会来了：Hong说，“番木鳖碱前体到番木鳖碱的自发转化是一个偶然的发现。它需要几个中间步骤，我们最初认为这个过程必须由一种或多种酶来催化。事实上，我们已经研究了许多酶，但没有一种酶是反应性的。令人惊讶的是，有一天我发现在室温下存放在实验室工作台上的番木鳖碱前体随着时间的推移慢慢转化为番木鳖碱。”

随着最后一步之谜的解开，这些作者因此能够阐明番木鳖碱以及相关分子二甲马钱子碱（brucine）和达波灵碱（diaboline）的完整生物合成途径。虽然二甲马钱子碱也是由马钱子产生的，但是达波灵碱是由马钱子属的一个相关物种产生的，该物种既不产生番木鳖碱也不产生二甲马钱子碱。值得注意的是，他们还发现，其中的一种生物合成酶中只有一个氨基酸的变化是导致马钱子和马钱子属的其他物种中生物碱积累存在差异的原因。

阐明植物代谢产物的生物合成，并将具有医学意义的植物化合物形成的遗传基础应用于模式植物的生物技术研究是很有前途的研究领域。这项新的研究为利用“代谢工程”方法生产以前未知的植物天然产物提供了新的可能性。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Benke Hong et al. Biosynthesis of strychnine. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04950-4.