奎宁生物合成之谜被揭开
从克丘亚树皮到化疗药物，耶拿成为重要里程碑
350多年来，奎宁和金鸡纳树（Cinchona spp.）的其他提取物一直是唯一有效的抗疟药物。疟疾是由单细胞寄生虫疟原虫（Plasmodium）引起、通过按蚊传播的热带热病。“金鸡纳树”这个名字实际上源自南美洲，来自克丘亚语“quina-quina”，意为“树皮中的树皮”。金鸡纳树粉末很可能在17世纪由耶稣会士作为有效的退热药带到欧洲。直到19世纪初，奎宁才被确定为金鸡纳树皮中的活性成分，随后通过酒精提取过程分离出来。该研究的共同第一作者、德国耶拿马普化学生态研究所天然产物生物合成系的博士后研究员Blaise Kimbadi Lombe说：“奎宁是最早从自然资源中分离出来的活性成分之一，也是第一种纯化学治疗药物。如今它仍被用于治疗疟疾，例如在热带中非，疟疾是常见的致病和致死原因。”他本人来自位于中非的刚果民主共和国。
金鸡纳生物碱，包括奎宁（汤力水和苦柠檬等饮料中的苦味物质）以及奎尼丁（一种治疗心律失常的药物），拥有悠久的历史。除了医学意义，金鸡纳生物碱还被用作许多化学过程中的催化剂。耶拿在奎宁研究中扮演了特别重要的角色，因为正是在耶拿的弗里德里希·席勒大学，化学家Paul Rabe于1908年首次描述了奎宁的分子结构。
长期寻找金鸡纳生物碱生物合成的关键
金鸡纳树的生物碱价值极高，年经济价值估计达20亿美元。然而，工业化生产过程涉及从大规模热带种植园中种植的金鸡纳植物中提取并纯化这些化合物。因此，金鸡纳树如何产生这些活性成分的问题，一百多年来一直是研究的重点。解开这个谜团受到多个因素的阻碍，包括金鸡纳生物碱结构的复杂性和独特性、对中间产物了解有限（这使得难以预测可能涉及哪些酶），以及分析方法不足。此外，在温室和无菌条件下培育红金鸡纳树也带来了挑战。
此前在耶拿的研究阐明了代谢途径的第一部分，并确定了中间产物corynantheal。进一步的实验表明，这种中间产物被植物转化为最终的金鸡纳生物碱。然而，这种转化的机制以及所涉及的酶仍然未知。该研究的博士生周廷安（Tingan Zhou）描述了研究目标：“具体来说，我们想知道：corynantheal骨架的转化是如何发生的？哪些酶催化这一过程？这些酶能否用于在模式生物中轻松、快速且可控地生产金鸡纳生物碱？这些酶能否用于生产自然界中不存在的新金鸡纳生物碱类似物？”
金鸡纳树如何产生其神奇分子：一部科学侦探故事
为了理解金鸡纳树如何产生金鸡纳生物碱，科学家们解决了一个复杂的谜题，类似于化学侦探工作。首先，他们将特殊标记的前体添加到红金鸡纳树（Cinchona pubescens）的叶、茎和根中，追踪这些前体如何转化为后续化合物，寻找植物组织中标记的“痕迹”。这使他们识别出三种以前未知的中间产物，作为谜题的关键碎片。然后，他们搜索催化这些中间产物转化的酶。利用植物不同部位中的基因和蛋白质数据，以及与其他相关植物的比较，研究人员发现了两种能产生其中一种新发现的中间物质——丙二酰基corynantheol——的酶。为了测试丙二酰基corynantheol是否属于代谢途径的一部分，科学家们使用了一种暂时关闭产生该化合物的基因的方法，证实丙二酰基corynantheol是奎宁和其他金鸡纳生物碱的前体。
最大的挑战之一是找到负责将丙二酰基corynantheol转化为新发现的中间产物——cinchonium——的酶。经过多次失败尝试后，研究团队通过结合不同植物物种和部位的基因活性、蛋白质和基因模式数据，确定了合适的基因。从其序列来看，该酶似乎是一种转移酶。研究人员非常惊讶地发现，一种转移酶能够进行这种不寻常的环化反应。
随后，研究人员证明cinchonium中间产物再经过两次反应形成所谓的“喹啉-奎宁环骨架”。Blaise Kimbadi Lombe总结了生物合成过程：“在一系列由两种不相关酶催化的转化中，骨架从吲哚环系统扩展为喹啉环系统。我们将这些酶鉴定为一种α-酮戊二酸依赖性双加氧酶和一种细胞色素P450。”
研究团队随后利用这些酶生产了已知的药用化合物，以及可能具有药用价值的衍生物。
从树皮到实验室：可持续药物生产的突破
该研究的领导者、马普化学生态研究所所长及天然产物生物合成系主任Sarah O'Connor说：“我们的研究进一步证明，大自然是最好的化学家。我们发现的酶开辟了广泛的可能性，包括生物技术生产具有医学或化学价值的化合物。”
科学家们预测，目前通过从金鸡纳树皮提取而获得的基本金鸡纳生物碱的生产，最终将转向合成生物学方法。
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