De onderzoekers stopten enkele akoniet- en ridderspoorgenen in tabaksbladeren en zetten deze aan het werk. Zes enzymen hebben de eerste stappen van de route gereconstrueerd die hiertoe leidenatisiniumeen plantenalkaloïde met een bijzonder complexe structuur. Tabak kreeg voor één keer een betere opdracht dan normaal.
Het resultaat werd verkregen door een team van de Michigan State University en de Tsjechische Academie van Wetenschappen, die dit bestudeerden Delphinium grandiflorumeen soort ridderspoor, en Aconitum plicatumbehorend tot het geslacht van de monnikskap. Het onderzoek, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Moleculaire plantidentificeerde zes enzymatische stappen die door de twee planten werden gedeeld en produceerde een belangrijk tussenproduct van de biosyntheseroute in een gastheerorganisme. Er zijn geen medicijnen uit de bladeren gekomen en de monnikskap blijft giftig: nu weten we beter hoe hij sommige van zijn moleculen bouwt.
Zes enzymen verborgen tussen duizenden genen
Monnikskap en ridderspoor produceren diterpeenalkaloïden, stoffen waarin twee grote families van de plantenchemie samenkomen: terpenen en alkaloïden. Sommige van deze verbindingen worden onderzocht op hun biologische en farmacologische activiteiten; andere kunnen neurotoxiciteit, verlamming en ernstige vergiftiging veroorzaken. Chemische verwantschap alleen maakt een molecuul nog niet tot een medicijn. De beslissingen worden genomen op basis van dosis, structuur, biologisch doelwit en een aantal tests die hier nog moeten beginnen.
Om zo’n ingewikkeld pad te volgen, vergeleken de onderzoekers de genen die actief zijn in verschillende weefsels en in de twee soorten. Ze zochten naar exemplaren die samen oplichtten, net zoals de planten de alkaloïden produceerden. Uit duizenden kandidaten kwamen twee enzymen naar voren die het oorspronkelijke skelet van het molecuul bouwen, drie cytochroom P450’s die het modificeren en een reductase met ongewone eigenschappen. Zes arbeiders, elk op het exacte punt van de lopende band. Als iemand een beurt overslaat, blijft wat er daarna komt half op tafel liggen.
De geselecteerde genen werden overgebracht naar Nicotiana benthamianaeen familielid van tabak dat vaak wordt gebruikt in plantenonderzoek omdat het de snelle productie van vreemde eiwitten mogelijk maakt. In de bladeren herhaalden enzymen een deel van de chemie van monnikskap en ridderspoor, waardoor het team tussenproducten kon waarnemen die langzaam en in kleine hoeveelheden in de oorspronkelijke planten verschijnen.
Het experiment voltooide niet de volledige productie van atisinium op zichzelf, zoals sommige enthousiaste reconstructies van het nieuws suggereren. Het identificeerde toegangsstappen tot het pad en produceerde een belangrijk tussenproduct in een ander organisme dan de twee planten. Het lijkt een nuancering. In het laboratorium scheidt het een pad dat eindelijk zichtbaar wordt van een medicijn dat nog niet bestaat.
De stikstof was afkomstig van het minst verdachte molecuul
De meest interessante verrassing zat verborgen in een enkel stikstofatoom. Veel diterpeenalkaloïden bevatten een chemische groep die ertoe heeft geleid dat mensen ethylamine als grondstof beschouwden. De door de onderzoekers geïdentificeerde reductase gaf in plaats daarvan de voorkeur aan ethanolamine, een stof die qua naam vergelijkbaar is en verschillend genoeg is om de reconstructie van het hele proces te verstoren.
Het team verifieerde de bron van de stikstof door isotoop-gelabelde moleculen te gebruiken in celculturen van Monnikskap. Met deze labels kun je atomen volgen terwijl ze van de ene stof naar de andere gaan. Metabolomics-analyses gaven aan dat ethanolamine de voorkeursbron is voor de meerderheid van de gedetecteerde diterpeenalkaloïden. De plant neemt een grondstof, verwerkt deze vroeg en transformeert deze in daaropvolgende stappen, waardoor een afdruk in het eindproduct achterblijft die van elders leek te komen. De plantenchemie weet hoe ze moet misleiden zonder zelfs maar te proberen.
Het kennen van deze oorsprong is vooral van belang bij het overbrengen van de route naar een ander organisme. Je kunt de juiste enzymen, de juiste temperatuur en perfect meewerkende tabak hebben; door de verkeerde stikstofbron aan de keten aan te bieden, blijft het verwachte molecuul simpelweg niet verschijnen.
Een tweede onderzoek vervolledigde de keten
In hetzelfde bestand als Moleculaire plantDirect na het Amerikaanse en Tsjechische werk verschijnt er een tweede onderzoek naar deAconitum gymnandrum. De groep, gecoördineerd door het Instituut voor Materia Medica in Beijing, heeft vier enzymen geïdentificeerd die in staat zijn te transformerenent-atiserene, het startskelet, in atisinium. De volledige route is gereproduceerd in tabak en gist.
Vier enzymen in het tweede onderzoek, zes in het eerste. De rekeningen beginnen vanuit twee verschillende punten. De Chinees-Japanse groep begonent-atiserene al beschikbaar en volgde daaropvolgende transformaties door drie cytochromen P450 en een reductase. Het eerste werk omvat in plaats daarvan ook de twee enzymen die nodig zijn om dat initiële skelet op te bouwen. Twee ingangen naar dezelfde werkplaats, waarvan de tweede helemaal doorloopt tot aan de uitgang.
Het team schakelde ook een van de genen rechtstreeks in de monnikskap uit, waarbij een vermindering van de producten van de route werd waargenomen. De controle dient om te verifiëren dat de enzymen die in de tabak en de gist aan het werk zijn, die functie ook daadwerkelijk uitvoeren in de oorspronkelijke plant. De in het laboratorium gereconstrueerde sequentie is dus niet zomaar een montage die buitenshuis toevallig tot stand komt.
Waarom een gif in tabak overbrengen?
Diterpeenalkaloïden zijn moeilijk te verkrijgen. Planten produceren kleine hoeveelheden, voor de extractie is veel materiaal nodig en de driedimensionale structuren maken de chemische synthese ingewikkeld. Door de genen over te brengen naar beter beheersbare organismen kun je de tussenproducten produceren zonder velden met monnikskap te cultiveren en stap voor stap aanpassen om te begrijpen wat er gebeurt.
Dit is vandaag het concrete resultaat: nieuwe hulpmiddelen voor het bestuderen van zeldzame plantenmoleculen, het verifiëren van hun effecten, het meten van hun toxiciteit en het proberen verschillende derivaten te bouwen. De familie van diterpeenalkaloïden omvat stoffen die door middel van zeer verschillende experimenten zijn onderzocht tegen pijn, parasieten, malaria en tumorcellen. Het toeschrijven van al deze eigenschappen aan atisinium zou een sprong zijn die de twee onderzoeken niet maken.
Om tot een medicijn te komen zijn verbindingen nodig die in voldoende hoeveelheden worden geproduceerd, cel- en dierproeven, farmacologische onderzoeken en veiligheidsbeoordelingen. Het zou ook kunnen blijken dat atisinium vooral nuttig is als stap in de opbouw van meer uitgebreide alkaloïden, dan als een actief ingrediënt op zichzelf. Monnikskap en ridderspoor blijven planten die met voorzichtigheid moeten worden behandeld, zonder enige geïmproviseerde huismiddeltjes. Hun moleculaire recept behoort echter niet langer alleen tot de bloem.
