Uma equipe de pesquisa do Instituto Max Planck de Ecologia Química em Jena divulgou o caminho biossintético completo para a formação de estricnina na espécie vegetal Strychnos nux-vomica (noz venenosa). Os pesquisadores identificaram todos os genes envolvidos na biossíntese de estricnina e outros metabólitos e os expressaram na planta modelo Nicotiana benthamiana. Isso permitiu que eles mostrassem que essas moléculas extremamente complexas e farmacologicamente importantes podem ser sintetizadas usando métodos de "engenharia metabólica".
Muitos de nós conhecemos a estricnina de relatos de crimes, romances ou filmes. Agatha Christie fez com que várias de suas vítimas morressem de envenenamento por estricnina. Ela descreveu o que é provavelmente o caso de assassinato fictício mais conhecido envolvendo o alcalóide altamente tóxico usado como veneno de rato em seu primeiro romance "The Mysterious Affair at Styles".

A pista final para resolver o caso foi encontrada pelo famoso personagem detetive Hercule Poirot em sua primeira aparição literária. Também na ciência, às vezes é necessário o instinto investigativo e o trabalho de detetive. Os pesquisadores liderados por Benke Hong e Sarah O'Connor, do Departamento de Biossíntese de Produtos Naturais, não apenas tiveram que encontrar um elo perdido, mas desvendar toda a cadeia de eventos biossintéticos que levam à formação de estricnina na árvore de noz venenosa. Para permanecer na linguagem da literatura criminal, pode-se dizer:Eles resolveram o caso.

O químico e ganhador do Prêmio Nobel Robert Robinson, que foi um dos primeiros a elucidar a estrutura da estricnina na década de 1940, certa vez descreveu esse alcalóide indol monoterpeno como a substância química mais complexa por seu tamanho molecular. Muitos químicos ficaram entusiasmados com a arquitetura da molécula de estricnina e desenvolveram maneiras de produzir essa molécula usando síntese química. Surpreendentemente, porém, ninguém ainda havia conseguido descobrir como as plantas produzem esse produto natural.

A equipe de Benke Hong abordou agora esta tarefa gigantesca:"Nossa questão-chave era como encontrar os genes responsáveis ​​pela biossíntese da estricnina na noz venenosa. Como primeiro passo, comparamos a expressão de genes (transcriptoma) de duas espécies do mesmo gênero (Strychnos), mas do qual apenas a árvore da noz venenosa produz estricnina. Selecionamos genes candidatos para cada etapa com base na transformação química proposta, que não sabíamos se estava correta ou não", explica Benke Hong.

Os genes a montante da biossíntese de estricnina para a formação de um importante intermediário (geissosquizina) foram totalmente elucidados na planta medicinal Catharanthus roseus (Pervinca de Madagascar), que também está sendo estudada no departamento de Sarah O'Connor, e os genes homólogos foram identificados na árvore de noz venenosa.

Mais progressos exigia o dom de um detetive para combinar pistas moleculares e genéticas, que os cientistas chamam de lógica química. "Pode-se dizer que a química guiou a descoberta dos genes em nosso estudo. Com base em estruturas e mecanismos químicos, cada etapa da via metabólica rendeu uma proposta de transformação química. Por sua vez, nossas especulações sobre as famílias de enzimas biossintéticas com funções catalíticas foram baseadas na reação química de cada etapa", disse Sarah O'Connor, chefe do Departamento de Biossíntese de Produtos Naturais, descrevendo a abordagem da pesquisa.

Como evidência de que os genes identificados eram responsáveis ​​pelas etapas biossintéticas propostas, os pesquisadores modificaram plantas de tabaco (Nicotiana benthamiana) para produzir temporariamente as enzimas de Strychnos. Depois de adicionar as matérias-primas apropriadas, eles investigaram se o produto hipotético foi produzido pela planta de tabaco transformada. Esse método permitiu testes de alto rendimento de vários genes simultaneamente, o que reduziu o tempo necessário para resolver o quebra-cabeça.

Os pesquisadores não conseguiram encontrar uma enzima correspondente que catalisou a última etapa da biossíntese de estricnina, a conversão de prestricnina em estricnina. Eles perceberam que essa conversão ocorre espontaneamente, sem uma enzima. Como costuma acontecer tanto no trabalho de detetive quanto na ciência, o acaso veio em socorro:

"A conversão espontânea de prestricnina em estricnina é uma descoberta casual. Requer várias etapas intermediárias, e inicialmente pensamos que esse processo deveria ser catalisado por uma ou mais enzimas. Na verdade, estudamos muitas enzimas, mas nenhuma delas era reativa Surpreendentemente, um dia descobri que uma amostra de pré-estricnina armazenada à temperatura ambiente na bancada do laboratório havia se convertido lentamente em estricnina ao longo do tempo", diz Benke Hong.

Com o mistério da última etapa resolvido, os pesquisadores puderam assim elucidar a via biossintética completa da estricnina, bem como as moléculas relacionadas brucina e diabolina. Enquanto a brucina também é produzida pela noz venenosa, a diabolina é produzida por uma espécie relacionada do gênero Strychnos, que não produz nem estricnina nem brucina. Notavelmente, os pesquisadores também descobriram que apenas uma única alteração de aminoácido em uma das enzimas biossintéticas é responsável pela diferença no acúmulo de alcalóides na noz venenosa e em outras espécies de Strychnos.

A elucidação da biossíntese de metabólitos vegetais e o uso biotecnológico da base genética para a formação de compostos vegetais medicamente importantes em plantas modelo são campos de pesquisa promissores. O estudo atual abre novas possibilidades para a produção de produtos naturais de plantas anteriormente desconhecidos usando abordagens de "engenharia metabólica". + Explorar mais

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