托烷生物碱是一类特殊的植物衍生化合物，自药用植物驯化以来已被人类利用。这些生物碱分布在开花植物中，研究最多的两个科包括来自茄科​​(番茄、烟草、马铃薯近缘植物)和红木科(古柯)的生物碱。世界卫生组织将几种托烷生物碱列为现代药典中最重要的药物之一。然而，可卡因等其他化合物因其麻醉和欣快感特性而声名狼藉。

研究人员确定了古柯中托烷生物碱生物合成的最后剩余步骤

“了解植物如何产生这些生物碱对于人类继续利用自然并开发新的有用药物至关重要，”IPK研究小组“代谢多样性”的负责人JohnD'Auria博士说。

历史上研究和表征最多的托烷生产系统一直在茄科。将起始氨基酸前体转化为最终活性生物碱需要十多个化学修饰步骤，所有这些步骤都已在茄科植物中得到鉴定和表征。

托烷类在开花植物中的分散分布一直暗示着不同的科可能已经发展出相互独立地生产这些生物碱的能力。事实上，托烷生物合成的几个步骤已经被记录在Erythroxylaceae的成员中独立进化。

“在过去的15年里，我们一直致力于阐明古柯衍生的托烷途径，我们已经成功地研究了古柯中可卡因和其他相关托烷生物合成的几个关键步骤，”研究人员说。“认为古柯与其茄科远亲有相似酶和基因的想法是不正确的。虽然托烷类的最终结构相似，但产生这些生物碱的途径却不同。”

为了发现古柯途径的最后剩余步骤，D'Auria博士与斯坦福大学的ChristinaSmolke博士的实验室合作。Smolke小组是通过合成生物学方法操纵酵母和微生物生产重要药用化合物的专家。他们的联合研究发表在《美国国家科学院院刊》杂志上。

“在[Smolke小组]的帮助下，我们利用酵母中基因操作的倍增能力来测试古柯途径中缺失步骤的许多不同候选基因。本质上，在每个未知步骤中，我们设计并测试了多个候选序列，“研究人员报告说。

这些候选序列源自JohnD'Auria博士的小组以及马里兰州贝尔茨维尔(美国)美国农业部的LyndelMeinhardt博士小组进行的转录组研究。

“使用这个强大的基因发现平台，我们成功地确定了古柯中托烷生物合成的所有剩余‘缺失步骤’。这代表了我小组十多个研究生项目和我15年研究的结晶，”D博士说奥里亚。

研究结果中最重要的部分现在证实，在开花植物的进化过程中，托烷生物合成至少独立进化了两次。“这很重要，因为我们在研究中还表明，你可以混合搭配茄科和红木科的基因并产生托烷，”研究人员说。通俗地说，这项研究为合成生物学家提供了多种工具，可以开始在以前从未产生过托烷生物碱的生物体中设计托烷生物碱途径，并且由于能够将不同的酶用于类似的步骤，因此有可能优化或修改这些步骤以实现具体的化学结果。

“此外，我们还表明，古柯途径的开始部分是通过一条有趣的‘迂回’或替代路线进行的，这在茄科物种中是不存在的，”该研究的第一作者、博士生本杰明查韦斯说。D.D'Auria实验室的学生。“这提供了有关植物新陈代谢如何找到解决生化挑战的方法的见解。也就是说，我们可以了解早期前体与其瓶颈之间的相互作用。”

最后，研究人员发现了一种特定的酶，这种酶负责专门存在于古柯生物碱中的所谓“甲甲氧基”。茄科植物没有这种修饰。甲羰基是可卡因产生欣快感的部分原因。