O paclitaxel é o medicamento anticâncer à base de plantas mais vendido no mundo e um dos medicamentos anticâncer mais eficazes nos últimos 30 anos. É amplamente utilizado no tratamento de vários tipos de câncer, incluindo câncer de mama, câncer de pulmão e câncer de ovário.



No final da década de 1990 e início do século 21, as vendas anuais de paclitaxel ultrapassaram US$ 1,5 bilhão e atingiram US$ 2,0 bilhões em 2001, tornando-o o medicamento mais vendido em 2001. Em 2019, o mercado de paclitaxel e seus derivados era de aproximadamente US$ 15 bilhões, e espera-se que atinja US$ 20 bilhões até 2025.

Como medicamento anticancerígeno, a estrutura molecular do paclitaxel é extremamente complexa, com anéis em ponte intrincados e altamente oxidados e 11 estereocentros, tornando-o amplamente reconhecido como um dos produtos naturais mais desafiadores para sintetizar quimicamente. Desde que a primeira síntese total de paclitaxel foi relatada pelos grupos de investigação de Holton e Nicolaou em 1994, mais de 40 equipas de investigação estiveram envolvidas na síntese total de paclitaxel.

Contudo, mesmo na rota de síntese química mais curta até à data, o rendimento global de paclitaxel é de apenas 0,118%, o que fica aquém de satisfazer a procura da produção industrial. Atualmente, a produção industrial de paclitaxel emprega uma estratégia semissintética:isolar precursores de paclitaxel (como a bacatina III) de culturas de células vegetais ou folhas de Taxus e depois convertê-los em paclitaxel através de métodos químicos. No entanto, a estratégia semissintética depende fortemente dos recursos naturais e é limitada pelo lento crescimento das células ou folhas de Taxus, não podendo, portanto, satisfazer a crescente procura do mercado.

Com o rápido desenvolvimento da biotecnologia, estratégias de biologia sintética para a biossíntese microbiana de produtos naturais vegetais surgiram como uma abordagem poderosa para a produção eficiente de produtos naturais vegetais complexos.

Portanto, alcançar uma produção eficiente, ecologicamente correta e sustentável de paclitaxel através da biologia sintética atraiu atenção generalizada. No entanto, a realização da síntese de novo de paclitaxel num sistema heterólogo requer a identificação das principais enzimas que faltam na via biossintética do paclitaxel e o estabelecimento de uma rota biossintética completa para o paclitaxel.

Para enfrentar o desafio de longa data da biossíntese de paclitaxel em Taxus, duas equipes de pesquisa lideradas pelo Prof. Jianbin Yan (Instituto de Genômica Agrícola de Shenzhen, AGIS) e pelo Prof. cinco outras instituições diferentes, incluindo a Universidade de Tsinghua e a UCLA, colaboraram em conjunto para identificar com sucesso as enzimas em falta e conseguir a reconstituição das enzimas biossintéticas que conduzem à bacatina III.

Os pesquisadores utilizaram um sistema de expressão heteróloga do tabaco para realizar a triagem da atividade da família de genes CYP725A encontrada especificamente em Taxus por meio de estratégia de co-injeção de substrato. Eles identificaram com sucesso uma enzima biossintética chamada taxano oxetanase (TOT) que catalisa a formação do anel oxetano durante a via de biossíntese do taxol.

TOT catalisa a formação do anel oxetano único através da oxidação da ligação dupla C4,20 e subsequente rearranjo do grupo acetil adjacente na posição C5, conforme representado em. Este novo mecanismo de reação de formação do anel oxetano quebra o entendimento convencional de que o anel oxetano a formação na via de biossíntese do taxol é conseguida através de uma reação de rearranjo do epóxido correspondente.

Entretanto, concentrando-se no composto estruturalmente mais simples, a taxusina, os investigadores identificaram 17 genes candidatos que codificam enzimas responsáveis ​​pela oxidação C9 dos taxanos, utilizando a análise de co-expressão e a análise do metabolismo. Estes genes candidatos foram posteriormente submetidos a rastreio de actividade através da reconstrução da via biossintética da taxusina no tabaco, levando à descoberta da enzima responsável pela oxidação de C9 em taxanos, que foi denominada Taxano 9α hidroxilase (T9αH).

Com estas duas enzimas recentemente identificadas TOT e T9αH em mãos, os investigadores tentaram alcançar a biossíntese total da bacatina III no tabaco através da sua co-expressão com outros genes biossintéticos conhecidos do taxol. Eles detectaram com sucesso a produção de bacatina III no tabaco quando TOT e T9αH foram co-expressos com outros 7 genes biossintéticos conhecidos (TXS, T5αH, T13αH, T2αH, T7βH, TAT e TBT). Além disso, demonstraram que estes nove genes são os genes centrais para a biossíntese da bacatina III, uma vez que cada gene é indispensável para a biossíntese da bacatina III no tabaco.

Outros estudos bioquímicos mostraram que esses genes centrais exibem estreita sinergia funcional e são co-regulados pelo hormônio vegetal jasmonato, demonstrando padrões de expressão de indução semelhantes e forte correlação de expressão. Ao combinar a análise de localização subcelular e outros resultados experimentais, os pesquisadores fornecem uma visão completa do processo biossintético da bacatina III.

O substrato inicial GGPP é catalisado por TXS para formar taxadieno em cloroplastos. Posteriormente, o taxadieno é transferido para o citoplasma através dos locais de contato do retículo plastídio-endoplasmático e sofre catálise concertada por seis oxidases ligadas à membrana (T2αH, T5αH, T7βH, T9αH, T13αH e TOT) ancoradas no retículo endoplasmático e duas acilas citoplasmáticas. transferases (TAT e TBT), resultando em última análise na formação de bacatina III.

Em resumo, este estudo, publicado na Science recentemente, combina múltiplas análises ômicas e extensa validação funcional para identificar com sucesso as principais enzimas ausentes na via biossintética do paclitaxel. Revela um novo mecanismo pelo qual as células vegetais catalisam a formação de anéis de oxetano e descobre o caminho mais curto para a biossíntese heteróloga de paclitaxel.

Ao co-expressar 9 enzimas centrais no tabaco, os investigadores alcançam a bioprodução do precursor do paclitaxel bacatina III, estabelecendo as bases para a produção em larga escala de paclitaxel e também fornecendo orientação teórica para estudos biossintéticos em centenas de outros produtos naturais de taxanos.

Mais informações: Bin Jiang et al, Caracterização e reconstituição heteróloga de enzimas biossintéticas de Taxus levando à bacatina III, Ciência (2024). DOI:10.1126/science.adj3484
Informações do diário: Ciência

Fornecido pela Universidade de Pequim