Due piante capaci di causare danni ai nervi e paralisi a dosi estremamente basse potrebbero anche contenere composti con preziosi utilizzi contro il dolore, la malaria, il cancro e i parassiti agricoli. I ricercatori hanno ora individuato un modo per riprodurre parte di questa potente sostanza chimica in laboratorio, aprendo la strada a possibili trattamenti più sostenibili basati su prodotti naturali.
Lo studio si è concentrato su Aconitum e Delphinium e ha riunito scienziati della Michigan State University e dell’Accademia delle Scienze Ceca. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Molecular Plant .
“Queste piante sono state utilizzate in diverse forme di medicina in tutto il mondo per migliaia di anni”, ha affermato Garret Miller, ex studente della MSU, co-primo autore dell’articolo e ora professore assistente di biotecnologie all’Università del Michigan-Flint.
“Sappiamo che interagiscono con il nostro corpo in moltissimi modi, e capire come crearli può aiutarci a trovare nuove vie di test.”
La potente chimica delle piante velenose
Nonostante i notevoli progressi della scienza moderna, le piante rimangono insuperabili nella loro capacità di produrre complesse sostanze chimiche naturali.
“Le piante sono le migliori chimiche in circolazione, avendo perfezionato il loro arsenale di composti naturali nel corso di milioni di anni per garantire la propria sopravvivenza”, ha affermato Björn Hamberger, autore dello studio e titolare della cattedra James K. Billman presso il Dipartimento di Biochimica e Biologia Molecolare della MSU.
“Gli esseri umani hanno trovato innumerevoli usi per queste molecole nella vita di tutti i giorni”, ha aggiunto Lana Mutabdžija, studentessa di dottorato presso l’Accademia delle Scienze Ceca e co-prima autrice dell’ultimo articolo.
“Tra queste sostanze figurano caffeina, capsaicina, mentolo e vanillina, senza dimenticare che molti dei farmaci che utilizziamo oggi derivano direttamente dalle piante o sono ispirati alla chimica vegetale.”
Il laboratorio Hamberger della MSU studia queste sostanze naturali, note come metaboliti specializzati, ed esplora come potrebbero essere utilizzate in ambito pratico.
Negli ultimi anni, il gruppo ha rivolto la sua attenzione al delphinium, noto anche come speronella per via dei suoi fiori a forma di delfino. I ricercatori volevano determinare come la pianta produce gli alcaloidi diterpenoidi, un gruppo di sostanze chimiche altamente tossiche ma che potrebbero anche possedere utili proprietà medicinali.
Un annoso enigma chimico
Svelare questo processo ha rappresentato una sfida notevole.
Gli alcaloidi diterpenoidi combinano caratteristiche di due dei gruppi di composti chimici vegetali più antichi e numerosi del pianeta. Le loro strutture sono così complesse che gli scienziati si sono sforzati per decenni di comprendere esattamente come le piante li costruiscano.
L’aconitina, uno dei composti più noti di questa famiglia, è stata isolata quasi 200 anni fa. Ciononostante, i ricercatori non sono ancora riusciti a sintetizzarla in laboratorio.
Il progetto ha preso slancio grazie a una collaborazione inaspettata.
In occasione di una conferenza scientifica a Barcellona, Hamberger ha incontrato i ricercatori del laboratorio di Tomáš Pluskal presso l’Accademia delle Scienze Ceca. Il gruppo di Pluskal, di cui faceva parte anche Mutabdžija, stava studiando la stessa difficile famiglia di alcaloidi diterpenoidi presenti nell’aconito, una pianta notoriamente velenosa, parente del delphinium, nota anche come aconito comune.
“Quando ciò accade, possiamo scegliere se andare per la nostra strada o unirci, ed è proprio l’unione che porta sempre ai risultati scientifici migliori”, ha affermato Hamberger.
Tracciare la catena di montaggio chimica degli impianti
Dopo aver unito le forze, il team internazionale si è prefissato l’obiettivo di identificare la sequenza precisa dei passaggi biochimici utilizzati dall’aconito e dal delphinium per produrre alcaloidi diterpenoidi.
La ricerca assomigliava a una caccia al tesoro molecolare. I ricercatori hanno esaminato diverse specie di entrambe le piante e hanno tracciato migliaia di geni, alla ricerca di quelli che si attivavano nei tessuti giusti al momento giusto.
“Si può immaginare una via biosintetica quasi come una catena di montaggio”, ha affermato Miller, che ha conseguito il dottorato di ricerca nel laboratorio di Hamberger. “Se sono necessari dieci passaggi consecutivi per costruire un prodotto finito e improvvisamente uno di questi si interrompe, i passaggi successivi non possono avere luogo.”
Le piante, in genere, producono metaboliti specializzati in quantità molto ridotte e a un ritmo lento. Identificare i percorsi biochimici che li regolano è quindi essenziale per produrre questi composti su scala maggiore e applicarli a problemi concreti.
Una volta che i ricercatori hanno risolto un percorso metabolico, possono trasferire le istruzioni genetiche per la sintesi di un composto in un organismo ospite modificato, come ad esempio il lievito.
Questa forma di biohacking può trasformare l’organismo ospite in un sistema di produzione biologica, consentendogli di produrre maggiori quantità della sostanza chimica desiderata per ulteriori studi e sviluppi.
“In uno scenario ideale, questo potrebbe eventualmente contribuire alla creazione di nuovi farmaci ispirati a questi prodotti naturali”, ha affermato Mutabdžija.
Le piante di tabacco diventano biofabbriche viventi
Dopo aver identificato una promettente collezione di geni provenienti da Aconitum e Delphinium, i ricercatori hanno trasferito queste istruzioni genetiche in piante di tabacco. Il tabacco è servito da comoda “fabbrica vivente” per verificare se i geni fossero in grado di riprodurre il processo chimico delle piante.
Le analisi hanno dimostrato che le piante di tabacco modificate avevano messo in atto la via metabolica che il team stava cercando. Sei enzimi distinti lavoravano insieme per produrre l’atisinium, un alcaloide diterpenoide.
Gli enzimi hanno contribuito a dare alla molecola la sua complessa struttura finale. Hanno inoltre permesso l’aggiunta di una fonte essenziale di azoto che i ricercatori non si aspettavano.
Identificando le prime fasi biochimiche necessarie per la sintesi dell’atisinio, il team ha ottenuto un importante punto di partenza per lo studio della più ampia famiglia degli alcaloidi diterpenoidi e delle loro potenziali proprietà medicinali.
“La nostra visione è quella di fornire strumenti ecologici e sostenibili che ci permettano di sfruttare il potenziale naturale di queste piante”
Abstract
Gli alcaloidi diterpenoidi sono un gruppo di metaboliti specializzati in cui si intersecano le classi dei terpenoidi e degli alcaloidi, e che si trovano principalmente nei generi Aconitum e Delphinium . Sebbene questi composti suscitino un notevole interesse per la loro ampia gamma di bioattività, la loro complessità strutturale rappresenta una sfida significativa per la sintesi chimica. La biosintesi offre un’alternativa interessante per la produzione; tuttavia, sono stati fatti pochi progressi nella delucidazione delle loro vie biosintetiche. In questo studio, abbiamo impiegato un approccio di trascrittomica comparativa per identificare sei passaggi enzimatici nella biosintesi dell’atisinio, conservato sia in Delphinium grandiflorum che in Aconitum plicatum . Un elemento chiave di questa via è una reduttasi che incorpora selettivamente l’etanolammina rispetto all’etilammina nello scheletro diterpenoide. Sebbene la maggior parte degli alcaloidi diterpenoidi contenga un gruppo etilammina, abbiamo dimostrato, attraverso la marcatura isotopica in colture di callo di Aconitum e un approccio di metabolomica computazionale, che l’etanolammina è, in modo controintuitivo, la fonte di azoto preferita per questi metaboliti. L’identificazione di questi enzimi e la produzione di un intermedio chiave in un ospite eterologo aprono la strada alla produzione biosintetica di questo gruppo di metaboliti, promettenti per applicazioni medicinali.
Materiale fornito dalla Michigan State University . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Garret P. Miller, Lana Mutabdžija-Nedelcheva, Trine B. Andersen, Imani Pascoe, Kathryn Van Winkle, Maryam Sabbaghan, Alexandre Bouillé, Tomáš Iliaš, Andrej Tekel, Tomáš Pluskal, Björn Hamberger. Characterization of the entry steps in diterpenoid alkaloid biosynthesis. Molecular Plant, 2026; DOI: 10.1016/j.molp.2026.05.022
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