Noce velenosa Strychnos nux-vomica. Credito:Danny Kessler, Istituto Max Planck per l'ecologia chimica
Un gruppo di ricerca del Max Planck Institute for Chemical Ecology di Jena ha rivelato il percorso biosintetico completo per la formazione della stricnina nella specie vegetale Strychnos nux-vomica (noce velenosa). I ricercatori hanno identificato tutti i geni coinvolti nella biosintesi della stricnina e di altri metaboliti e li hanno espressi nella pianta modello Nicotiana benthamiana. Ciò ha consentito loro di dimostrare che queste molecole estremamente complesse e farmacologicamente importanti possono essere sintetizzate utilizzando metodi di "ingegneria metabolica".
Molti di noi conoscono la stricnina da cronache criminali, romanzi o film. Agatha Christie fece morire molte delle sue vittime per avvelenamento da stricnina. Ha descritto quello che è probabilmente il caso di omicidio immaginario più noto che coinvolge l'alcaloide altamente tossico usato come veleno per topi nel suo primo romanzo "The Mysterious Affair at Styles".
L'ultimo indizio per risolvere il caso è stato trovato dal famoso personaggio investigativo Hercule Poirot nella sua prima apparizione letteraria. Anche nella scienza, a volte è richiesto l'istinto investigativo e il lavoro investigativo. I ricercatori guidati da Benke Hong e Sarah O'Connor del Dipartimento di biosintesi dei prodotti naturali non solo hanno dovuto trovare un anello mancante, ma anche svelare l'intera catena di eventi biosintetici che portano alla formazione della stricnina nell'albero delle noci velenose. Per rimanere nel linguaggio della letteratura criminale, si potrebbe dire:hanno risolto il caso.
Il chimico e vincitore del premio Nobel Robert Robinson, che fu uno dei primi a chiarire la struttura della stricnina negli anni '40, una volta descrisse questo alcaloide indolico monoterpenico come la sostanza chimica più complessa per le sue dimensioni molecolari. Molti chimici furono entusiasti dell'architettura della molecola della stricnina e svilupparono modi per produrre questa molecola usando la sintesi chimica. Sorprendentemente, però, nessuno era ancora riuscito a scoprire come le piante producano questo prodotto naturale.
Il team di Benke Hong ha ora affrontato questo compito mastodontico:"La nostra domanda chiave era come trovare i geni responsabili della biosintesi della stricnina nella noce velenosa. Come primo passo, abbiamo confrontato l'espressione dei geni (trascrittoma) di due specie di stesso genere (Strychnos), ma di cui solo la noce velenosa produce stricnina. Abbiamo selezionato i geni candidati per ogni passaggio in base alla trasformazione chimica proposta, che non sapevamo fosse corretta o meno", spiega Benke Hong.
I geni a monte della biosintesi della stricnina alla formazione di un importante intermedio (geissoschizina) sono stati completamente chiariti nella pianta medicinale Catharanthus roseus (pervinca del Madagascar), anch'essa allo studio nel dipartimento di Sarah O'Connor, e sono stati identificati i geni omologhi nel dado velenoso.
Ulteriori progressi richiedevano il dono di un detective per combinare indizi molecolari e genetici, che gli scienziati chiamano logica chimica. "Si potrebbe dire che la chimica ha guidato la scoperta dei geni nel nostro studio. Basandosi su strutture e meccanismi chimici, ogni passaggio nel percorso metabolico ha prodotto una trasformazione chimica proposta. A loro volta, si sono basate le nostre speculazioni sulle famiglie di enzimi biosintetici con funzioni catalitiche sulla reazione chimica di ogni passaggio", ha affermato Sarah O'Connor, capo del Dipartimento di biosintesi dei prodotti naturali, descrivendo l'approccio di ricerca.
A riprova che i geni identificati erano responsabili delle fasi biosintetiche proposte, i ricercatori hanno modificato le piante di tabacco (Nicotiana benthamiana) per produrre temporaneamente gli enzimi da Strychnos. Dopo aver aggiunto le materie prime per mangimi appropriate, hanno quindi esaminato se il prodotto ipotizzato fosse prodotto dalla pianta di tabacco trasformata. Questo metodo ha consentito test ad alto rendimento di più geni contemporaneamente, riducendo il tempo necessario per risolvere il puzzle.
I ricercatori non sono stati in grado di trovare un enzima corrispondente che catalizzasse l'ultimo passaggio della biosintesi della stricnina, la conversione della prestricnina in stricnina. Si sono resi conto invece che questa conversione avviene spontaneamente, senza un enzima. Come spesso accade sia nel lavoro investigativo che in quello scientifico, il caso è venuto in soccorso:
"La conversione spontanea della prestricnina in stricnina è una scoperta casuale. Richiede diversi passaggi intermedi e inizialmente pensavamo che questo processo dovesse essere catalizzato da uno o più enzimi. In effetti, abbiamo studiato molti enzimi, ma nessuno di loro era reattivo Sorprendentemente, un giorno ho scoperto che un campione di prestricnina conservato a temperatura ambiente sul banco di laboratorio si era lentamente convertito in stricnina nel tempo", afferma Benke Hong.
Con il mistero dell'ultimo passaggio risolto, i ricercatori sono stati così in grado di chiarire il percorso biosintetico completo della stricnina, nonché le relative molecole brucine e diaboline. Mentre la brucine è prodotta anche dalla noce velenosa, la diabolina è prodotta da una specie correlata del genere Strychnos, che non produce né stricnina né brucine. In particolare, i ricercatori hanno anche scoperto che solo un singolo cambiamento di amminoacido in uno degli enzimi biosintetici è responsabile della differenza nell'accumulo di alcaloidi nella noce velenosa e in altre specie di Strychnos.
Il chiarimento della biosintesi dei metaboliti vegetali e l'uso biotecnologico della base genetica per la formazione di composti vegetali importanti dal punto di vista medico nelle piante modello sono campi di ricerca promettenti. L'attuale studio apre nuove possibilità per la produzione di prodotti naturali vegetali precedentemente sconosciuti utilizzando approcci di "ingegneria metabolica". + Esplora ulteriormente
