这项研究聚焦于乌头和飞燕草，汇聚了来自密歇根州立大学和捷克科学院的科学家。研究结果发表在《分子植物》期刊上。
“几千年来，这些植物在世界各地被用于不同形式的药物，”该论文的共同第一作者、密歇根州立大学校友、现任密歇根大学弗林特分校生物技术助理教授加勒特·米勒说。
“我们知道它们以多种方式与我们的身体相互作用，了解如何制造它们有助于提供全新的测试途径。”
有毒植物的强大化学力量
尽管现代科学取得了重大进步，但在合成复杂精细的天然化学物质的能力方面，植物仍然无与伦比。
“植物是顶尖的化学家，在数百万年的时间里不断升级其天然化合物武器库以帮助生存，”研究作者、密歇根州立大学生物化学与分子生物学系James K. Billman冠名教授比约恩·哈姆伯格说。
“人类在日常生活中发现了这些分子的无数用途，”捷克科学院研究生、这篇最新论文的共同第一作者拉娜·穆塔布季娅补充道。
“其中包括咖啡因、辣椒素、薄荷醇和香兰素，更不用说我们今天使用的许多药物要么直接来自植物，要么是受到植物化学的启发。”
密歇根州立大学的Hamberger实验室研究这些被称为特化代谢物的天然物质，并探索如何将其投入实际应用。
近年来，该小组将注意力转向飞燕草，因其花朵形状像海豚，也被称为翠雀。研究人员想要确定该植物如何产生二萜生物碱，这是一类剧毒但可能具有有用医疗特性的化学物质。
一个长期存在的化学难题
解析这一过程是一项巨大的挑战。
二萜生物碱结合了地球上最古老和最庞大的两类植物化学物质的特征。它们的结构非常复杂，科学家们几十年来一直在努力确切了解植物是如何构建它们的。
乌头碱是该家族中最熟悉的化合物之一，近200年前就被分离出来了。即便如此，研究人员仍未成功在实验室中合成它。
该项目通过一次意想不到的合作获得了动力。
在巴塞罗那的一次科学会议上，Hamberger遇到了捷克科学院Tomáš Pluskal实验室的研究人员。包括Mutabdžija在内的Pluskal小组正在研究乌头中同样难以对付的二萜生物碱家族，乌头是飞燕草著名的剧毒近亲，也被称为舟形乌头。
“当这种情况发生时，我们要么各走各的路，要么走到一起，而联合起来总能带来最好的科学成果，”Hamberger说。
追踪植物的化学装配线
联手后，这个国际团队着手确定乌头和飞燕草用来制造二萜生物碱的精确生化步骤序列。
这项搜索就像一场分子寻宝游戏。研究人员检查了这两种植物的多个物种，并追踪了数千个基因，寻找那些在正确时刻在正确组织中“开启”的基因。
“你可以把生物合成途径想象成一条装配线，”在Hamberger实验室获得博士学位的Miller说。“如果你需要连续十个步骤来构建一个成品，突然有一个停止了，接下来的步骤就无法进行。”
植物通常以极小的量和缓慢的速度制造特化代谢物。因此，确定其背后的生化途径对于更大规模地生产这些化合物并将其应用于现实问题至关重要。
一旦研究人员解开了一条途径，他们就可以将构建化合物的遗传指令转移到工程宿主中，例如酵母。
这种形式的生物黑客技术可以将宿主变成生物生产系统，使其能够制造大量所需的化学物质，以供进一步研究和开发。
“在理想情况下，这最终可能有助于创造受这些天然产物启发的新药，”Mutabdžija说。
烟草植物成为活的生物工厂
在确定了来自乌头和飞燕草的一组有希望的基因后，研究人员将这些遗传指令转移到烟草植物中。烟草作为一个方便的活工厂，用于测试这些基因是否能重现植物的化学过程。
分析表明，改良后的烟草植物已经组装了团队正在寻找的途径。六种不同的酶协同工作，产生了二萜生物碱阿替新。
这些酶帮助将分子塑造成其复杂的最终结构。它们还促成了研究人员未曾预料到的关键氮源的添加。
通过确定制造阿替新所需的最初生化步骤，团队获得了一个重要的起点，用于研究更广泛的二萜生物碱家族及其潜在有用的药用特性。
“我们的愿景是提供绿色、可持续的工具，使我们能够利用这些植物的天然力量，”Hamberger说。