Химики из Китая открыли две недостающие стадии на пути биосинтеза кокаина в кокаиновом кусте (Erythroxylum novogranatense). Они скорректировали ранее предложенный ошибочный путь биосинтеза и нашли правильный, который удалось полностью воспроизвести в табаке Бентхама (Nicotiana benthamiana).

Исследование опубликовано в журнале Journal of the American Chemical Society.

Кокаин — природный алкалоид, который синтезируют распространенные в Южной Америке растения семейства Эритроксиловые (Erythroxylaceae). Люди использовали их листья с очень давних времен. Например, в 2010 году ученые выяснили, что уже около 8000 лет назад жители Нанчокской долины в Перу не только жевали листья коки, но и умели экстрагировать из них смеси природных алкалоидов. В XIX веке кокаин открыли для себя европейцы, которые использовали его как анестетик и даже добавляли в некоторые напитки. Но вскоре выяснилось, что кокаин вызывает сильное привыкание, и его применение значительно сократилось.

Большинство алкалоидов из листьев коки имеют схожую структуру, основа которой — бициклический амин тропан. Молекулы кокаина отличаются от тропана двумя дополнительными сложноэфирными группами, связанными с бициклическим остовом. И хотя синтезировать кокаин и родственные ему алкалоиды химики умеют, природный путь его синтеза они до сих пор не разгадали. Но химикам под руководством Хуана Шэн Сюна (Huang Sheng-Xiong) из Куньминского института ботаники Китайской академии наук наконец удалось разгадать путь биосинтеза кокаина.

Благодаря ранее проведенным экспериментам с изотопными метками ученым было известно, что кокаин и родственный ему алкалоид гиосциамин получаются из общего предшественника — 4-(1-метил-2-пирролидинил)-3-оксобутановой кислоты (MPOA). По мнению большинства ученых, эта кислота превращалась в кокаин в две стадии: сначала — метилирование кислотной группы, затем — окислительная циклизация. Поэтому китайские химики решили начать свое исследование с поиска метилтрансферазы, способной превращать MPOA в ее метиловый эфир.

Предполагаемый биосинтез алкалоидов кокаина и гиосциамина. Пунктирными линиями обозначены неисследованные стадии / Yong-Jiang Wang et al. / Journal of the American Chemical Society, 2022

Сначала ученые проанализировали транскриптом кокаинового куста (Erythroxylum novogranatense) и нашли в нем гены, отвечающие за синтез 23 разных метилтрансфераз, гипотетически способных метилировать MPOA. Наиболее подходящие из них ученые экспрессировали в листьях табака, но детектировать в них значительные количества метилового эфира MPOA не удалось. Одновременно с этим ученые искали ферменты, способные катализировать окислительную циклизацию, но эти поиски тоже привели к неудаче.

Тогда химики предположили, что главенствующая гипотеза о биосинтезе кокаина неверна, и кислота MPOA сначала образует цикл, а уже потом метилируется. Чтобы подтвердить свое предположение, исследователи экспрессировали разные пары метилтрансфераза-оксидаза в листьях табака, и обнаружили, что комбинация из метилтрансферазы EnMT4 и оксидазы EnCYP81AN15 приводит к образованию больших количеств кокаина и побочного продукта тропинона. Так химики поняли, что MPOA под действием оксидазы EnCYP81AN15 превращается в циклический алкалоид экгонон, который затем метилируется в присутствии EnMT4 с образованием кокаина. При этом сам экгонон нестабилен и легко разрушается с образованием побочного тропинона — это удалось подтвердить экспериментами с синтетически полученным экгононом.

Путь биосинтеза, который открыли китайские химики. Над основной схемой показаны побочные продукты / Yong-Jiang Wang et al. / Journal of the American Chemical Society, 2022

В результате ученые нашли ферменты, ответственные за две недостающие стадии в биосинтезе кокаина. Они экспрессировали их и несколько других необходимых ферментов в листьях табака, и получили табак, производящий до 400 нанограмм кокаина на миллиграмм высушенных листьев.

Недавно мы рассказывали о том, как химики разгадали путь биосинтеза стрихнина и тоже воспроизвели его в табаке. А о том, как химики в России занимаются исследованиями психоактивных веществ, можно прочитать в нашем материале «Просто потому что можем».