Gli scienziati risolvono un enigma vecchio di 200 anni: come le piante di tabacco producono nicotina

Gli scienziati hanno scoperto come le piante di tabacco producono naturalmente nicotina, risolvendo un mistero che ha incuriosito i ricercatori per quasi due secoli. La scoperta, pubblicata su Nature Communications , potrebbe portare a una produzione più sicura di farmaci e vaccini a partire dalle piante di tabacco, senza la nicotina indesiderata.

La nicotina, la sostanza chimica che rende i prodotti del tabacco dipendenti, è utilizzata dall’uomo da oltre 10.000 anni. Ma nonostante decenni di studi, gli scienziati non hanno mai compreso appieno come piante come la Nicotiana tabacum, la principale fonte di tabacco, producano effettivamente la molecola di nicotina.

Gli scienziati hanno ora scoperto i geni e l’enzima mancanti di cui le piante di tabacco hanno bisogno per produrre nicotina, e hanno ricreato il processo in laboratorio e all’interno di piante viventi, dimostrando come funziona.

Contaminazione

Il dottor Benjamin Lichman, del Center for Novel Agricultural Products (CNAP) presso il Dipartimento di Biologia dell’Università di York, ha affermato: “Le piante di tabacco possono essere utilizzate in biotecnologia come piattaforme per la produzione di vaccini o altri prodotti farmaceutici, ma sono afflitte dalla presenza di nicotina, che contamina i prodotti e richiede un processo per rimuoverla.

“Il mistero di come le piante di tabacco producano nicotina esiste fin dalla fine del 1820, quando la nicotina fu estratta per la prima volta dalle piante. Da allora, nessuno era riuscito a svelare il meccanismo di produzione. È un momento cruciale per la scienza vegetale e la biochimica, perché finalmente abbiamo la risposta che cercavamo da oltre 200 anni.”

“Grazie a queste nuove conoscenze, possiamo rimuovere o riutilizzare la nicotina prodotta naturalmente dalla pianta e creare strumenti biotecnologici migliori; inoltre, si aprono interessanti prospettive future per adattare il sistema di produzione della nicotina del tabacco alla creazione di composti farmaceutici utili.”

Il team, che comprendeva ricercatori dell’Università di Copenaghen, ha scoperto che la nicotina si forma inizialmente legata a una molecola di glucosio , che viene aggiunta per fornire ai suoi elementi costitutivi l’energia necessaria per assemblarsi. Tuttavia, il glucosio viene rimosso nella fase finale, scomparendo apparentemente. Questo passaggio nascosto spiega perché il mistero sia persistito così a lungo.

Benjamin Schwabe, dottorando all’Università di York e primo autore dello studio, ha anche scoperto le strutture esatte di due speciali enzimi vegetali, NaGR e NicGS, che contribuiscono all’assemblaggio della molecola di nicotina a partire da frammenti più piccoli.

La molecola stessa è composta da due anelli collegati, ciascuno dei quali si forma in una diversa fase del metabolismo della pianta. Uno deriva da un composto simile a una vitamina, e l’altro da un amminoacido coinvolto nella sintesi proteica.

Il dottor Lichman ha affermato: “È entusiasmante perché ha applicazioni concrete nel mondo reale. Una stretta parente del tabacco, la Nicotiana benthamiana , è già utilizzata nell'”agricoltura molecolare” per produrre farmaci e vaccini salvavita.”

“Apre nuove strade per utilizzare le piante di tabacco a fin di bene: non nelle sigarette, ma per produrre medicinali e altri prodotti di valore.”

La nicotina è un alcaloide neuroattivo prodotto dal tabacco ( Nicotiana tabacum ) come meccanismo di difesa contro gli erbivori, nonché uno stimolante che crea dipendenza e che viene utilizzato dall’uomo da millenni. Nonostante la sua importanza, le fasi chiave della sua biosintesi sono rimaste a lungo sconosciute. In questo studio, dimostriamo la ricostruzione in vitro di una cascata biocatalitica stereoselettiva a quattro enzimi che porta alla formazione di ( S )-nicotina a partire da acido nicotinico e N -metilpirrolinio. Questa cascata comprende due enzimi che elaborano il glucosio e che partecipano a una fase di glucosilazione attivante finora poco conosciuta. Ricostruiamo inoltre questo percorso biosintetico in vivo e presentiamo le strutture a raggi X ad alta risoluzione della coppia reduttasi-ossidasi, enzimi chiave che formano il legame carbonio-carbonio, legati rispettivamente al substrato e al prodotto. Questo lavoro definisce il percorso biosintetico completo della nicotina, fornendo nuovi geni bersaglio per il controllo della produzione di alcaloidi in Nicotiana e svelando le vie enzimatiche per la sintesi degli alcaloidi piridinici.

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