Wilkowi Bubo (akonitowi) nie zależy na tym, czy przeżyjesz z nim kontakt. Wystarczy jedna kropla ekstraktu, aby zatrzymać układ nerwowy. Lancorna (delphinium), jej bliski botaniczny krewny, działa podobnie, paraliżując drapieżniki ze śmiertelną łatwością. Jednak ta wojna chemiczna ma również wady.
Te same związki, które mogą natychmiast zatrzymać pracę serca lub mózgu, są potencjalnymi lekami na malarię, raka i przewlekły ból.
Do tej pory byliśmy uzależnieni od zasobów naturalnych. Wydobycie wystarczającej ilości tych potężnych cząsteczek z roślin przypomina kopanie złota łyżeczką. Jednak badacze zrobili ogromny krok w kierunku zmiany tej sytuacji: udało im się odtworzyć tę złożoną reakcję chemiczną w laboratorium.
W pracy opublikowanej w czasopiśmie Molecular Plant połączono wiedzę specjalistyczną Michigan State University (MSU) i Czeskiej Akademii Nauk. Jest pomostem pomiędzy starożytnymi lekami ziołowymi a nowoczesnymi technologiami genetycznymi.
„Rośliny są najlepszymi chemikami na świecie… Ludzie znaleźli niezliczone zastosowania tych cząsteczek.”
— Bjorn Hamberger, profesor na MSU
Dlaczego chemię roślin tak trudno jest skopiować
Przyzwyczailiśmy się myśleć o roślinach jako o powolnych i prostych. To jest błędne.
Przez miliony lat flora udoskonalała swój arsenał chemiczny, aby przetrwać drapieżniki, choroby i stres klimatyczny. Wynik? Wyspecjalizowane metabolity o tak złożonej strukturze, że pomimo dwóch wieków chemii wiele z nich nigdy nie zostało zsyntetyzowanych w laboratoriach.
Weźmy alkaloidy diterpenoidowe. Występują w lancorn (ostróżka) i kolcowoju (aconitum). Cząsteczki te są prawdziwymi „potworami” na poziomie molekularnym. Łączą w sobie cechy dwóch największych i najstarszych grup roślinnych związków chemicznych. Powstała struktura jest tak złożona, że akonityna, znana toksyczna pochodna, nigdy nie została w pełni zsyntetyzowana w laboratorium, chociaż została wyizolowana prawie 200 lat temu.
„Jeśli masz dziesięć kroków z rzędu… i nagle jeden z nich zawodzi, kolejne kroki stają się niemożliwe” – wyjaśnia Garrett Miller, absolwent MSU i współautor artykułu.
Próby wydobycia tych związków z natury dają mikroskopijne ilości. Jest powolny, nieefektywny i szkodliwy dla środowiska. Potrzebowaliśmy innego sposobu. Potrzebowaliśmy linii montażowej.
Jak zderzenie pomysłów doprowadziło do przełomu
Przełom nie narodził się w jednym laboratorium. Powstał w wyniku zderzenia pomysłów na konferencji badawczej w Barcelonie.
Zespół Bjorna Hambergera na MSU badał Lankorna. Na tym samym wydarzeniu grupa Tomasa Pluskala z Czeskiej Akademii Nauk zmagała się z tą samą klasą związków w wilczomleczu.
Problem był taki sam. Podejścia są różne.
„Kiedy to nastąpi, możemy albo pójść własnymi drogami, albo połączyć siły… to połączenie sił zawsze prowadzi do najlepszych wyników naukowych” – powiedział Hamberger.
Obie grupy połączyły zasoby. Ich cel? Odszyfruj dokładny szlak biochemiczny, który przekształca materiały roślinne w te potężne alkaloidy.
Genetyczna linia montażowa
Nie zgadli, jak znaleźć „przepis”. Oni polowali.
Zespół przeanalizował tysiące genów różnych gatunków. Szukali konkretnych markerów: które geny są aktywowane we właściwych tkankach we właściwym czasie, aby wytworzyć toksynę.
Postrzegali biologię roślin jako warsztat w fabryce. Każdy enzym był pracownikiem linii montażowej. Zadanie polegało na zidentyfikowaniu każdego etapu – od surowców po gotowy produkt.
Po zmapowaniu te instrukcje genetyczne można wyodrębnić z rośliny i wprowadzić do żywiciela. Drożdże? Tytoń? Nie ma znaczenia, kto dokładnie jest gospodarzem, najważniejsze jest to, że potrafi „odczytać” kod rośliny i rozpocząć masową produkcję związku.
W idealnym scenariuszu całkowicie pomija to produkcję rolną. Brak pól. Żadnych zbiorów. Tylko bioreaktory.
Tytoń staje się pierwszym przełomem
Badacze nie ograniczyli się do teorii. Sprawdzili to w praktyce.
Pobrali obiecujący zestaw genów z kolcowoju i lancornu i wprowadzili je do roślin tytoniu. Zamienili uprawy w fabryki biologiczne.
Wynik? Sukces.
Analiza chemiczna potwierdziła, że tytoń wytwarza atyzyn, alkaloid diterpenoidowy. Zmodyfikowane rośliny wytworzyły nie tylko fragment cząsteczki, ale uzupełniły cały zespół. Sześć różnych enzymów współpracowało, aby doprowadzić cząsteczkę do jej złożonej formy końcowej.
Jeszcze bardziej zaskakujące było to, że w procesie tym pojawiło się ważne źródło azotu, którego naukowcy się nie spodziewali.
„Naszym celem jest dostarczanie ekologicznych, zrównoważonych narzędzi.”
— Bjorn Hamberger
Co to oznacza dla medycyny?
To dopiero pierwszy krok.
Identyfikacja punktów wejścia na szlak biosyntezy dostarcza naukowcom wskazówek dotyczących całej rodziny alkaloidów diterpenoidowych. Otwiera to drzwi do testowania tych związków pod kątem właściwości leczniczych bez ryzyka narażenia na surowe, nierafinowane toksyny roślinne.
Obecnie stosujemy leki inspirowane roślinami takie jak kapsaicyna (pieprz) czy wanilina (wanilia). Następna fala może obejmować ukierunkowane leki przeciwnowotworowe lub nowe środki przeciwbólowe pochodzące z tych samych roślin, które mogą zabić.
Ale jest niuans.
Droga od „udało nam się w laboratorium” do „bezpiecznego do testów na ludziach” jest długa. Nie wiemy jeszcze, które z tych toksycznych rusztowań można zmiękczyć na tyle, aby stać się użytecznymi lekami, a które pozostaną jedynie ciekawostką naukową.
Problem chemiczny jest do rozwiązania. Istnieje możliwość produkcji. Pozostaje tylko pytanie: co właściwie z tym zrobimy?
