Het pad dat door cocaplanten wordt gebruikt om de tropaan-alkaloïde cocaïne te produceren, is een mysterie gebleven sinds het voor het eerst werd geïsoleerd in 1855. Nu hebben twee groepen de ontbrekende stappen in de biosynthese ervan gemeld.
Tropane-alkaloïden zijn secundaire metabolieten die in meerdere plantensoorten worden geproduceerd. Cocaïne van Erythroxylum coca en nicotine van meerdere soorten in de familie Solanaceae zijn twee van de meest bekende. Andere, zoals scopolamine, littorine en hyoscyamine, zijn belangrijke geneesmiddelen.
Biochemicus John D’Auria van het Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research leidde een team dat een gistscreeningsplatform gebruikte om de volledige biosynthetische route van cocaïne in E. coca.1 Een groep onder leiding van Sheng-Xiong Huang van het Kunming Institute of Botany in China publiceerde ook onafhankelijk een deel van hetzelfde pad.2 De twee artikelen rapporteren vergelijkbare bevindingen, maar zijn het oneens over de volgorde van een methylerings- en ringsluitingsstap die uniek is voor deze heterocyclische tropaanalkaloïden.
D’Auria bestudeert dit pad al 15 jaar en is de unieke manier gaan waarderen waarop cocaplanten tropaanalkaloïden produceren. ‘Coca doet het anders’, benadrukt D’Auria.
Pathway-ontdekking begon met een op homologie gebaseerde benadering. Dit omvat het vinden van verwante planten die vergelijkbare moleculen maken en zoeken naar vergelijkbare of homologe genen. Voor coca behoren deze planten tot de Solanaceae-familie, maar er bestaan geen homologen. D’Auria en promovendus Benjamin Chavez breidden de zoektocht uit, op zoek naar genen die enzymen coderen die hypothetisch de modificaties zouden kunnen uitvoeren die nodig zijn voor het pad. Ze vernauwden de lijst met kandidaten tot genen die tot expressie komen in de weefsels die cocaïne produceren. Verrassend genoeg ontdekten ze een unieke spermidinesynthase, EcSPMT, met dubbele activiteit. EcSPMT schakelt tussen het omzetten van putrescine in spermidine en het methyleren van spermidine. In Solanaceae N-methylputrescine wordt rechtstreeks uit putrescine geproduceerd, maar coca gebruikt EcSPMT en extra spermidinestappen om hetzelfde te produceren N-methylputrescine
‘Dit is nog niet eerder in de literatuur beschreven’, zegt Chavez van EcSPMT, ‘een enzym dat twee verschillende cofactoren kan accepteren.’ Het suggereert ook dat de synthese van tropaanalkaloïden in elke plantenfamilie onafhankelijk evolueerde.
Een ander belangrijk kenmerk van cocaïne is de structuur met twee ringen. Het creëren van de tweede ring omvat een stap van methylering en cyclisatie. Zowel D’Auria als Huang melden de betrokkenheid van een cytochroom P450-gen en hetzelfde methyltransferase, maar Huang gelooft dat de ring eerst wordt gesloten en een onstabiel tussenproduct produceert, ecgonon genaamd, dat vervolgens wordt gemethyleerd om methylecgonon te maken. D’Auria zegt dat hun gistsysteem laat zien dat de methylering eerst plaatsvindt, gevolgd door ringsluiting.
Tot Opatz, een organisch chemicus aan de Johannes Gutenberg Universiteit in Duitsland, zegt dat beide routes plausibel zijn, maar dat de door Huang voorgestelde route ‘een beetje contra-intuïtief’ is. De verbinding die deze stappen ondergaat, bevat een β-ketozuur waarvan Opatz uitlegt dat het vatbaar is voor decarboxylering. ‘De vraag is wanneer de CO2 uitgegeven?.’ Volgens de literatuur ‘komt het loslaten vooraf aan of gebeurt het binnen de cyclisatie’, voegt Opatz toe. Echter, ‘nadat je de reactie zelf hebt uitgevoerd, merk je dat het carboxylaat binnen blijft en dat je het er later uit moet schoppen’. Hij zegt dat dit nog een open vraag is.
Het doel van dit werk is niet goedkope cocaïne, legt D’Auria uit. Unieke enzymen, zoals EcSPMT, dragen bij aan de toolbox van biosynthetische chemie. Hij zegt dat combinaties van genen en enzymen kunnen worden uitgeprobeerd en mogelijk unieke tropaanalkaloïden kunnen verbeteren of creëren. Het gebruik van gist is ook een grote stap voor groene chemie, voegt hij eraan toe, omdat het op organisch afval draait en reacties voltooit waarvoor anders agressieve chemicaliën en op aardolie gebaseerde producten nodig zijn.
