Een onderzoeksteam van het Max Planck Instituut voor Chemische Ecologie in Jena onthulde de volledige biosynthetische route voor de vorming van strychnine in de plantensoort Strychnos nux-vomica (gifnoot). De onderzoekers identificeerden alle genen die betrokken zijn bij de biosynthese van strychnine en andere metabolieten en brachten ze tot expressie in de modelplant Nicotiana benthamiana. Hierdoor konden ze aantonen dat deze extreem complexe en farmacologisch belangrijke moleculen kunnen worden gesynthetiseerd met behulp van "metabolic engineering"-methoden.

Velen van ons kennen strychnine uit misdaadverslagen, romans of films. Agatha Christie liet verschillende van haar slachtoffers sterven aan strychninevergiftiging. In haar eerste roman 'The Mysterious Affair at Styles' beschreef ze wat waarschijnlijk de bekendste fictieve moordzaak is waarbij de zeer giftige alkaloïde als rattengif wordt gebruikt.

De laatste aanwijzing voor het oplossen van de zaak werd gevonden door het beroemde detectivepersonage Hercule Poirot in zijn eerste literaire optreden. Ook in de wetenschap is soms onderzoeksinstinct en speurwerk vereist. De onderzoekers onder leiding van Benke Hong en Sarah O'Connor van het Department of Natural Product Biosynthesis moesten niet alleen één ontbrekende schakel vinden, maar de hele keten van biosynthetische gebeurtenissen ontrafelen die leiden tot de vorming van strychnine in de giftige notenboom. Om in de taal van de misdaadliteratuur te blijven, zou je kunnen zeggen:ze hebben de zaak opgelost.

De chemicus en Nobelprijswinnaar Robert Robinson, die in de jaren veertig als een van de eersten de structuur van strychnine ophelderde, beschreef ooit deze monoterpeen-indoolalkaloïde als de meest complexe chemische stof vanwege zijn moleculaire grootte. Veel scheikundigen waren enthousiast over de architectuur van het strychnine-molecuul en ontwikkelden manieren om dit molecuul te produceren met behulp van chemische synthese. Verrassend genoeg was het echter nog niemand gelukt om erachter te komen hoe planten dit natuurproduct produceren.

Het team van Benke Hong heeft deze gigantische taak nu aangepakt:"Onze belangrijkste vraag was hoe de genen te vinden die verantwoordelijk zijn voor de biosynthese van strychnine in de giftige noot. Als eerste stap vergeleken we de expressie van genen (transcriptoom) van twee soorten van de hetzelfde geslacht (Strychnos), maar waarvan alleen de giftige notenboom strychnine produceert. We selecteerden kandidaatgenen voor elke stap op basis van de voorgestelde chemische transformatie, waarvan we niet wisten dat deze correct was of niet", legt Benke Hong uit.

De stroomopwaartse genen van strychninebiosynthese tot de vorming van een belangrijk tussenproduct (geissochizine) zijn volledig opgehelderd in de medicinale plant Catharanthus roseus (Madagascar maagdenpalm), die ook wordt bestudeerd op de afdeling van Sarah O'Connor, en de homologe genen zijn geïdentificeerd in de giftige notenboom.

Verdere vooruitgang vereiste de gave van een detective voor het combineren van moleculaire en genetische aanwijzingen, die wetenschappers chemische logica noemen. "Je zou kunnen zeggen dat chemie de ontdekking van de genen in onze studie leidde. Op basis van chemische structuren en mechanismen leverde elke stap in de metabole route een voorgestelde chemische transformatie op. Op hun beurt waren onze speculaties over de biosynthetische enzymfamilies met katalytische functies gebaseerd over de chemische reactie van elke stap", zegt Sarah O'Connor, hoofd van de afdeling Biosynthese van natuurlijke producten, die de onderzoeksaanpak beschrijft.

Als bewijs dat de geïdentificeerde genen verantwoordelijk waren voor de voorgestelde biosynthetische stappen, pasten de onderzoekers tabaksplanten (Nicotiana benthamiana) aan om tijdelijk de enzymen uit Strychnos te produceren. Na toevoeging van de juiste voedermiddelen, onderzochten ze vervolgens of het veronderstelde product werd geproduceerd door de getransformeerde tabaksplant. Met deze methode konden meerdere genen tegelijkertijd met hoge doorvoer worden getest, waardoor de tijd die nodig was om de puzzel op te lossen, werd verkort.

De onderzoekers konden geen overeenkomstig enzym vinden dat de laatste stap van de strychnine-biosynthese, de omzetting van prestrychnine in strychnine, katalyseerde. Ze realiseerden zich in plaats daarvan dat deze omzetting spontaan plaatsvindt, zonder een enzym. Zoals vaak het geval is in zowel detectivewerk als in de wetenschap, kwam het toeval te hulp:

"De spontane omzetting van prestrychnine in strychnine is een toevallige ontdekking. Er zijn verschillende tussenstappen voor nodig en we dachten aanvankelijk dat dit proces door een of meer enzymen moest worden gekatalyseerd. In feite hebben we veel enzymen bestudeerd, maar geen van hen was reactief Verrassend genoeg ontdekte ik op een dag dat een prestrychnine-monster dat bij kamertemperatuur op de laboratoriumbank was bewaard, in de loop van de tijd langzaam was omgezet in strychnine", zegt Benke Hong.

Met het mysterie van de laatste stap opgelost, konden de onderzoekers de volledige biosynthetische route van strychnine ophelderen, evenals de verwante moleculen brucine en diaboline. Terwijl brucine ook wordt geproduceerd door de giftige noot, wordt diaboline geproduceerd door een verwante soort van het geslacht Strychnos, die geen strychnine of brucine produceert. De onderzoekers ontdekten met name ook dat slechts een enkele aminozuurverandering in een van de biosynthetische enzymen verantwoordelijk is voor het verschil in alkaloïde accumulatie in de giftige noot en andere Strychnos-soorten.

De opheldering van de biosynthese van plantenmetabolieten en het biotechnologisch gebruik van de genetische basis voor de vorming van medisch belangrijke plantverbindingen in modelplanten zijn veelbelovende onderzoeksgebieden. De huidige studie opent nieuwe mogelijkheden voor de productie van voorheen onbekende plantaardige natuurlijke producten met behulp van "metabolic engineering" -benaderingen. + Verder verkennen

Biosynthese van cyanobacterine opent nieuwe klasse van natuurlijke verbindingen voor toepassingen in geneeskunde en landbouw