Naukowcy zmodyfikowali genetycznie roślinę spokrewnioną z tytoniem, by wytwarzała kokainę

Naukowcy z Chin poinformowali, że zmodyfikowana przez nich genetycznie roślina – krewna tytoniu o nazwie Nicotiana benthamiana – wytwarza kokainę w swoich liściach. Zespół badaczy stwierdził, że udało im się poznać, w jaki sposób krzew kokainowy wytwarza kokainę i odtworzyli ten proces w innej roślinie. Kokaina jest bardziej znana jako narkotyk czy używka, ale ma ona też potencjał w medycynie. Jeszcze w XIX wieku była stosowana jako środek znieczulający, zresztą te jej właściwości zaczynają być znów doceniane.

Naukowcy od lat starali się opracować metodę szybkiej i taniej syntezy kokainy. Wydaje się, że w końcu im się udało. Uczeni z Chin twierdzą, że ustalili, w jaki sposób krasnodrzew pospolity zwany też krzewem kokainowym (Erythroxylum coca) wytwarza kokainę w swoich liściach. Poznany szlak biosyntezy kokainy badacze odtworzyli w innej roślinie – zmodyfikowanej krewnej tytoniu - Nicotiana benthamiana.

Opis i rezultaty badań naukowców z Kunming Institute of Botany w Chinach ukazały się na łamach pisma "Journal of the American Chemical Society" (DOI: 10.1021/jacs.2c09091).

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Naturalnie występująca w krasnodrzewie pospolitym kokaina jest alkaloidem tropanowym, który działa jako krótkotrwały środek pobudzający ośrodkowy układ nerwowy i miejscowy środek znieczulający. Kokaina bardziej znana jest jako narkotyk, ale ma też właściwości, którymi interesują się naukowcy. Na przykład w XIX wieku stymulant ten był z powodzeniem stosowany jako środek znieczulający lub do zwężania naczyń krwionośnych w celu powstrzymania krwawienia. Niedawno amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) zatwierdziła stosowanie kokainy jako miejscowego środka znieczulającego błony śluzowe.

Naukowcy od dziesięcioleci próbowali ustalić, w jaki sposób krzew kokainowy wytwarza kokainę. Jest to złożona sprawa biochemiczna i chociaż badacze zmapowali większość procesów zachodzących w roślinach, to umykał im kluczowy element - jak dokładnie prekursor chemiczny nazwany MPOA jest przekształcany w kokainę.

Uczeni skupili się na MPOA, bo z tego samego prekursora powstaje podobny alkaloid tropanowy zwany hioscyjaminą. W syntezie hioscyjaminy MPOA jest przekształcane w MMPO, co doprowadziło uczonych do wniosku, że ten sam szlak musi być zaangażowany w produkcję kokainy. Jednak w nowych badaniach uczeni z Chin odkryli, że MMPO nie jest zaangażowane w wytwarzanie kokainy. Zamiast tego MPOA jest przekształcane w kokainę dzięki aktywności dwóch enzymów zwanych EnCYP81AN15 i EnMT4.

Aby to udowodnić, naukowcy zmodyfikowali genetycznie roślinę Nicotiana benthamiana, aby wytworzyła te dwa enzymy. Nicotiana benthamiana zawiera substancje podobne do MPOA, dlatego też została wybrana do badań. Modyfikacje doprowadziły do syntezy kokainy w liściach rośliny. I chociaż krewna tytoniu dała marne, ale wciąż ekscytujące 400 nanogramów kokainy na miligram suszonych liści, czyli mniej więcej jedną 25 plonu przeciętnej rośliny koki, to fakt, że szlak biosyntezy kokainy został poznany, otwiera możliwość masowej produkcji substancji w innych organizmach, takich jak chociażby bakterie E. Coli.

Naukowcy uspokajają, że ich przełom nie spowoduje pojawienia się ogromnych ilości narkotyku w miastach. Prawdopodobnie nie wpłynie w ogóle na dostępność narkotyku, ponieważ proces genetycznej zmiany innej rośliny lub bakterii w celu syntezy narkotyku znacznie wykracza poza możliwości nawet najbardziej wyrafinowanych karteli narkotykowych. Przynajmniej tak uważają naukowcy. Zresztą podkreślają, że ich badania nie miały na celu opracowania metody wytwarzania kokainy dla celów rekreacyjnych, ale dla zastosowań medycznych.

- Moją najważniejszą motywacją do rozwiązania kwestii biosyntezy kokainy była ciekawość naukowa. Teraz możliwe będzie konstruowanie różnych analogów kokainy do odkrywania leków. Nie wiemy jednak, czy uda nam się uzyskać stymulanty, które będą mieć obniżone właściwości psychoaktywne – powiedział dr Sheng-Xiong Huang, główny autor badań.

Źródło: New Scientist, IFLScience, fot. CC BY 2.0/ Flickr/ Marco Verch Professional Photographer