Un equipo de investigación del Instituto Max Planck de Ecología Química en Jena reveló la ruta biosintética completa para la formación de estricnina en la especie vegetal Strychnos nux-vomica (nuez venenosa). Los investigadores identificaron todos los genes implicados 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".

Muchos de nosotros conocemos la estricnina por informes de crímenes, novelas o películas. Agatha Christie hizo que varias de sus víctimas murieran por envenenamiento con estricnina. Ella describió lo que probablemente sea el caso ficticio de asesinato más conocido relacionado con el alcaloide altamente tóxico utilizado como veneno para ratas en su primera novela "El misterioso caso de Styles".

La pista final para resolver el caso la encontró el célebre personaje detectivesco Hércules Poirot en su primera aparición literaria. También en ciencia se requiere a veces instinto investigador y trabajo detectivesco. Los investigadores dirigidos por Benke Hong y Sarah O'Connor del Departamento de Biosíntesis de Productos Naturales no solo tenían que encontrar un eslabón perdido, sino también desentrañar toda la cadena de eventos biosintéticos que conducen a la formación de estricnina en la nuez venenosa. Para quedarnos en el lenguaje de la literatura policiaca, se podría decir:Han resuelto el caso.

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 de indol monoterpénico como la sustancia química más compleja por su tamaño molecular. Muchos químicos estaban entusiasmados con la arquitectura de la molécula de estricnina y desarrollaron formas de producir esta molécula mediante síntesis química. Sorprendentemente, sin embargo, nadie había logrado aún descubrir cómo las plantas producen este producto natural.

El equipo de Benke Hong ahora ha abordado esta gigantesca tarea:"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 del cual solo la nuez venenosa produce estricnina. Seleccionamos genes candidatos para cada paso en función de la transformación química propuesta, que no sabíamos si era correcta o no", explica Benke Hong.

Los genes aguas arriba de la biosíntesis de estricnina para la formación de un importante intermedio (geissoschizine) se han esclarecido por completo en la planta medicinal Catharanthus roseus (bígaro de Madagascar), que también se está estudiando en el departamento de Sarah O'Connor, y se han identificado los genes homólogos. en el árbol de nueces venenosas.

El progreso adicional requería el don de un detective para combinar pistas moleculares y genéticas, lo que los científicos llaman lógica química. "Se podría decir que la química guió el descubrimiento de los genes en nuestro estudio. Con base en estructuras y mecanismos químicos, cada paso en la ruta metabólica produjo una transformación química propuesta. A su vez, nuestras especulaciones sobre las familias de enzimas biosintéticas con funciones catalíticas se basaron en en la reacción química de cada paso", dijo Sarah O'Connor, jefa del Departamento de Biosíntesis de Productos Naturales, al describir el enfoque de la investigación.

Como evidencia de que los genes identificados eran responsables de los pasos biosintéticos propuestos, los investigadores modificaron 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 realizar pruebas de alto rendimiento de múltiples genes simultáneamente, lo que acortó el tiempo necesario para resolver el rompecabezas.

Los investigadores no pudieron encontrar una enzima correspondiente que catalizara el último paso de la biosíntesis de estricnina, la conversión de preestricnina 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 detectivesco como en el científico, la casualidad vino al rescate:

“La conversión espontánea de prestricnina 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 preestricnina almacenada a temperatura ambiente en la mesa del laboratorio se había convertido lentamente en estricnina con el tiempo", dice Benke Hong.

Una vez resuelto el misterio del último paso, los investigadores pudieron dilucidar la ruta biosintética completa de la estricnina, así como las moléculas relacionadas brucina y diabolina. Mientras que la nuez venenosa también produce brucina, la diabolina es producida por una especie relacionada del género Strychnos, que no produce ni estricnina ni brucina. Cabe destacar que los investigadores también descubrieron que solo un único cambio de aminoácido 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.

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