Για σχεδόν δύο αιώνες, ένα από τα μεγαλύτερα αινίγματα της χημείας, βρισκόταν κρυμμένο σε μια εθιστική ουσία που οι επιστήμονες ήξεραν ότι προκαλούσε προβλήματα υγείας.
Από τότε που η νικοτίνη απομονώθηκε για πρώτη φορά το 1828, οι επιστήμονες ήξεραν τις επιπτώσεις της στην υγεία, αυτό που δεν γνώριζαν παρά τις γενιές έρευνας, ήταν πώς το φυτό την παράγει.
Μετά από χρόνια ερευνών, μια ομάδα επιστημόνων έλυσε αυτό το μυστήριο και η απάντηση περιλάμβανε ένα χημικό κόλπο που κανείς δεν περίμενε να βρει.
Η μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications αποκαλύπτει ότι τα φυτά καπνού ολοκληρώνουν την παρασκευή της νικοτίνης χρησιμοποιώντας ένα εκπληκτικό κρυφό συστατικό, τη ζάχαρη.
Συγκεκριμένα, το φυτό προσκολλά προσωρινά ένα μόριο γλυκόζης, το ίδιο βασικό σάκχαρο που βρίσκεται στα τρόφιμα, σε ένα χημικό δομικό στοιχείο και χρησιμοποιεί αυτήν την προσκόλληση για να καταστήσει δυνατή μια βασική αντίδραση. Μόλις ολοκληρωθεί η χημική ένωση η ζάχαρη δεν χρησιμοποιοέιται πλέον.
Η γλυκόζη δεν εμφανίζεται ποτέ στο τελικό μόριο νικοτίνης, γι’ αυτό ακριβώς παρέμεινε απαρατήρητη για τόσα χρόνια. Οι ερευνητές την αποκαλούν «κρυπτική ενεργοποιητική γλυκοζυλίωση», ουσιαστικά ένα μόριο σακχάρου που λειτουργεί ως βοηθός στο παρασκήνιο και εξαφανίζεται πριν ολοκληρωθεί το τελικό προϊόν.
Η κατανόηση αυτής της οδού θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να καλλιεργήσουν τα φύλλα του καπνού με τροποποιημένη παραγωγή νικοτίνης και να προσφέρει νέα εργαλεία ενζύμων για την παρασκευή σχετικών χημικών ουσιών στο εργαστήριο.
Ένας γρίφος αιώνων
Η νικοτίνη αποτελείται από δύο χημικούς δακτυλίους ενωμένους. Ο ένας δακτύλιος προέρχεται από το νικοτινικό οξύ, έναν στενό χημικό ξάδερφο της βιταμίνης Β3. Ο άλλος από μια ένωση που ονομάζεται Ν-μεθυλοπυρρολίνιο. Το φυτό πρέπει να συνενώσει αυτά τα δύο κομμάτια και, για να το κάνει αυτό, πρέπει να «ενεργοποιήσει» χημικά έναν από αυτούς τους δακτυλίους, ώστε να γίνει αρκετά αντιδραστικός ώστε να συνδεθεί με τον σύντροφό του.
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες υποψιάζονταν ότι ένα ζεύγος πρωτεϊνών που ονομάζονται A622 και BBL εμπλέκονταν σε αυτό το βήμα σύνδεσης των δακτυλίων, αλλά κανείς δεν μπορούσε να καταλάβει ακριβώς τι έκαναν ή σε ποιες χημικές ουσίες δούλευαν.
Για χρόνια η κατανόηση αυτή οδηγούσε σε αδιέξοδο. Η βασική γνώση προέκυψε όταν η ερευνητική ομάδα άρχισε να εξετάζει τα γονίδια που περιβάλλουν το A622 στο γενετικό σχέδιο του φυτού καπνού. Ακριβώς δίπλα του βρίσκονταν γονίδια για δύο άλλες πρωτεΐνες: μία που προσθέτει γλυκόζη στα μόρια και μία που την αφαιρεί. Στα φυτά, τα γονίδια που εμπλέκονται στην ίδια εργασία συχνά ζουν κοντά το ένα στο άλλο στο γονιδίωμα, και αυτή η ομαδοποίηση ήταν μια αποκαλυπτική ένδειξη.
Αυτό οδήγησε την ομάδα σε μια νέα υπόθεση: τι θα γινόταν αν το A622 δεν δούλευε απευθείας στο νικοτινικό οξύ, αλλά σε μια εκδοχή του με ετικέτα γλυκόζης; Και τι θα γινόταν αν η γλυκόζη ήταν το κλειδί για να λειτουργήσει η αντίδραση;
Μπορεί να κατασκευαστεί νικοτίνη στο εργαστήριο;
Για να δοκιμάσουν αυτήν την ιδέα, οι ερευνητές ανακατασκεύασαν την οδό σε ένα απλοποιημένο σύστημα δοκιμαστικού σωλήνα χρησιμοποιώντας καθαρισμένες εκδόσεις τεσσάρων υποψήφιων πρωτεϊνών, μαζί με τα απαραίτητα αρχικά υλικά και χημικούς συμπαράγοντες. Δουλεύοντας σε ακολουθία, κάθε πρωτεΐνη έπαιξε έναν ξεχωριστό ρόλο: η μία συνέδεσε ένα μόριο γλυκόζης με το νικοτινικό οξύ, μια δεύτερη προετοίμασε χημικά την ένωση που είχε επισημανθεί για την αντίδραση σύνδεσης δακτυλίου, μια τρίτη κατεύθυνε τη χημεία προς τη σωστή μορφή νικοτίνης σε κατοπτρική μορφή και μια τέταρτη απέκοψε τη γλυκόζη για να απελευθερώσει το τελικό προϊόν. Οι συγγραφείς σημειώνουν ότι ο ακριβής μηχανισμός του τρίτου βήματος χρειάζεται ακόμη περισσότερη δουλειά.
Όταν υπήρχαν και οι τέσσερις πρωτεΐνες, η ομάδα παρήγαγε (S)-νικοτίνη, τη συγκεκριμένη μορφή που αποτελεί τη συντριπτική πλειοψηφία αυτών που παράγουν φυσικά τα φυτά καπνού. Χωρίς την πλήρη σύνθεση, η αντίδραση σταμάτησε ή στράφηκε σε άλλα προϊόντα. Στη συνέχεια, η ομάδα επιβεβαίωσε τα ίδια αποτελέσματα μέσα σε ζωντανά φυτικά κύτταρα, χρησιμοποιώντας φύλλα ενός συγγενή του καπνού που ονομάζεται Nicotiana benthamiana και δεν παράγει φυσικά νικοτίνη.
Για οπτική επιβεβαίωση, η ομάδα έστειλε ακτίνες Χ σε κρυστάλλους δύο βασικών πρωτεϊνών για να παράγει λεπτομερή τρισδιάστατα μοντέλα που δείχνουν πώς τα κομμάτια της αντίδρασης ταιριάζουν μέσα σε κάθε μία. Και οι δύο πρωτεΐνες πιάστηκαν να πιάνουν τα μόριά τους ακριβώς στην απαιτούμενη γωνία για να εκτελέσουν τα αντίστοιχα βήματά τους, ταιριάζοντας με την προτεινόμενη οδό.
Όταν οι ερευνητές αντικατέστησαν ένα από τα συστατικά που ενώνουν τους δακτυλίους με μια διαφορετική ένωση, το ίδιο σύστημα τεσσάρων πρωτεϊνών παρήγαγε σχετικές φυσικές χημικές ουσίες που βρίσκονται στον καπνό αντί για νικοτίνη. Μια αρθρωτή γραμμή συναρμολόγησης ικανή να παράγει πολλαπλές ενώσεις θα μπορούσε να ανοίξει δρόμους για την κατασκευή μιας σειράς χρήσιμων μορίων σε εργαστηριακό περιβάλλον.
Δύο αιώνες μετά την πρώτη απομόνωση της νικοτίνης από φύλλα καπνού, η επιστήμη έχει επιτέλους μια πλήρη απάντηση στο ερώτημα πώς την παράγεται στο φυτό. Όπως αποδεικνύεται, η απάντηση βασιζόταν σε ένα φευγαλέο μόριο σακχάρου που κανείς δεν σκέφτηκε να αναζητήσει.
