Biosíntesis de la estricnina

12 de julio de 2022

Un equipo de investigación del Instituto Max Planck de Ecología Química en Jena reveló la vía biosintética completa para la formación de estricnina en la especie de planta Strychnos nux-vomica (nuez venenosa). Los investigadores identificaron todos los genes involucrados en la biosíntesis de estricnina y otros metabolitos y los expresaron en la planta modelo Nicotiana benthamiana. Esto les permitió demostrar que estas moléculas extremadamente complejas y farmacológicamente importantes se pueden sintetizar utilizando métodos de "ingeniería metabólica".

Árbol de nuez venenosa Strychnos nux-vomica

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Árbol de nuez venenosa Strychnos nux-vomica

El químico y ganador del Premio Nobel Robert Robinson, quien fue uno de los primeros en dilucidar la estructura de la estricnina en la década de 1940, describió una vez este alcaloide indol monoterpénico como la sustancia química más compleja para su tamaño molecular. Muchos químicos estaban entusiasmados con la arquitectura de la molécula de estricnina y desarrollaron formas de producir esta molécula utilizando la síntesis química. Sin embargo, nadie había logrado descubrir aún cómo las plantas producen este producto natural.

Comparación de la actividad génica

El equipo de investigadores dirigido por Benke Hong y Sarah O'Connor del Departamento de Biosíntesis de Productos Naturales ahora ha abordado esta tarea gigantesca: "Nuestra pregunta clave era cómo encontrar los genes responsables de la biosíntesis de estricnina en la nuez venenosa. Como primer paso, comparamos la expresión de genes (transcriptoma) de dos especies del mismo género (Strychnos), pero de los cuales solo el árbol de nuez venenosa produce estricnina. Seleccionamos genes candidatos para cada paso en función de la transformación química propuesta, que no sabíamos que era correcta o no", explica Benke Hong.

Los genes aguas arriba de la biosíntesis de estricnina para la formación de un intermediario importante (geissoschizine) se han dilucidado completamente en la planta medicinal Catharanthus roseus (vinca de Madagascar), que también se está estudiando en el departamento de Sarah O'Connor, y los genes homólogos se han identificado en el árbol de nuez venenosa.

Lógica química

 "Se podría decir que la química guió el descubrimiento de los genes en nuestro estudio. Sobre la base de estructuras y mecanismos químicos, cada paso en la vía metabólica produjo una transformación química propuesta. A su vez, nuestras especulaciones sobre las familias de enzimas biosintéticas con funciones catalíticas se basaron en la reacción química de cada paso", dijo Sarah O'Connor, jefa del Departamento de Biosíntesis de Productos Naturales, describiendo el enfoque de investigación.

Como evidencia de que los genes identificados eran responsables de los pasos biosintéticos propuestos, los investigadores modificaron las plantas de tabaco (Nicotiana benthamiana) para producir temporalmente las enzimas de Strychnos. Después de agregar los materiales de alimentación apropiados, investigaron si el producto hipotético fue producido por la planta de tabaco transformada. Este método permitió pruebas de alto rendimiento de múltiples genes simultáneamente, lo que acortó el tiempo requerido para resolver el rompecabezas.

Prestrychnine se convierte en estricnina

Los investigadores no pudieron encontrar una enzima correspondiente que catalizara el último paso de la biosíntesis de estricnina, la conversión de prestriquinina en estricnina. En cambio, se dieron cuenta de que esta conversión ocurre espontáneamente, sin una enzima. Como suele ser el caso tanto en el trabajo de detective como en la ciencia, el azar vino al rescate: "La conversión espontánea de prestriquinina a estricnina es un descubrimiento casual. Requiere varios pasos intermedios, e inicialmente pensamos que este proceso debe ser catalizado por una o más enzimas. De hecho, hemos estudiado muchas enzimas, pero ninguna de ellas era reactiva. Sorprendentemente, un día descubrí que una muestra de prestriquinina almacenada a temperatura ambiente en el banco del laboratorio se había convertido lentamente en estricnina con el tiempo", dice Benke Hong.

Con el misterio del último paso resuelto, los investigadores pudieron dilucidar la vía biosintética completa de la estricnina, así como las moléculas relacionadas brucina y diabolina. Mientras que la brucina también es producida por la nuez venenosa, la diabolina es producida por una especie relacionada del género Strychnos, que no produce ni estricnina ni brucina. En particular, los investigadores también descubrieron que solo un solo cambio de aminoácidos en una de las enzimas biosintéticas es responsable de la diferencia en la acumulación de alcaloides en la nuez venenosa y otras especies de Strychnos.

La elucidación de la biosíntesis de metabolitos vegetales y el uso biotecnológico de la base genética para la formación de compuestos vegetales médicamente importantes en plantas modelo son campos de investigación prometedores. El estudio actual abre nuevas posibilidades para la producción de productos naturales vegetales previamente desconocidos utilizando enfoques de "ingeniería metabólica".