Για σχεδόν δύο αιώνες, ένα από τα πιο μεγάλα μυστήρια κρυβόταν μέσα στο φυτό του καπνού. Οι επιστήμονες γνώριζαν την ύπαρξη της νικοτίνης, τον εθισμό που προκαλούσε καθώς και τον ρόλο της στην παγκόσμια κρίση υγείας. Ωστόσο, παρά δεκαετίες ερευνών, δεν ήταν σαφές πώς ακριβώς το φυτό συνθέτει τη νικοτίνη από το μηδέν μέχρι που μια ομάδα ερευνητών κατάφερε να λύσει αυτό το αίνιγμα, αποκαλύπτοντας έναν απρόσμενο χημικό μηχανισμό.

Καπνός: Ο ρόλος της γλυκόζης

Σύμφωνα με μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications, τα φυτά καπνού ολοκληρώνουν τη σύνθεση της νικοτίνης μέσω ενός σταδίου που δεν ήταν γνωστό  που περιλαμβάνει τη ζάχαρη. Συγκεκριμένα, το φυτό συνδέει προσωρινά ένα μόριο γλυκόζης –την ζάχαρη που βρίσκεται στα τρόφιμα– με ένα χημικό δομικό συστατικό, ώστε να διευκολύνει μια κρίσιμη αντίδραση. Μόλις αυτή ολοκληρωθεί, η γλυκόζη αφαιρείται. Επειδή το μόριο ζάχαρης δεν παραμένει στο τελικό προϊόν, η διαδικασία έμεινε απαρατήρητη για δεκαετίες. Οι ερευνητές ονόμασαν το φαινόμενο «κρυπτική ενεργοποιητική γλυκοζυλίωση», έναν μηχανισμό όπου η ζάχαρη δρα ως «αφανής βοηθός» και εξαφανίζεται πριν ολοκληρωθεί η σύνθεση.

Η κατανόηση αυτής της βιοχημικής οδού μπορεί να επιτρέψει στους επιστήμονες να τροποποιήσουν τη παραγωγή νικοτίνης στα φυτά καπνού και να αξιοποιήσουν τα ένζυμα της διαδικασίας για τη δημιουργία συγγενών χημικών ενώσεων στο εργαστήριο. Η ανακάλυψη είναι σημαντική και για τη βιομηχανία βιοτεχνολογίας, καθώς το φυτό Nicotiana benthamiana χρησιμοποιείται ήδη ως ευέλικτο σύστημα παραγωγής και η παρουσία νικοτίνης συχνά δυσκολεύει τον καθαρισμό των προϊόντων. Παράλληλα, η νέα γνώση λύνει ένα βιολογικό μυστήριο που απασχολούσε την επιστήμη από το 1828, όταν η νικοτίνη απομονώθηκε για πρώτη φορά.

Καπνός: Γιατί η σύνθεση της νικοτίνης προκαλούσε πονοκέφαλο στους επιστήμονες;

Η νικοτίνη αποτελείται από δύο χημικούς δακτυλίους που ενώνονται μεταξύ τους. Ο ένας προέρχεται από το νικοτινικό οξύ, συγγενές της βιταμίνης B3, και ο άλλος από μια ένωση που ονομάζεται N-μεθυλοπυρρολίνιο. Για να συνδεθούν, το φυτό πρέπει να «ενεργοποιήσει» έναν από τους δακτυλίους ώστε να γίνει αρκετά δραστικός για να ενωθεί με τον άλλο.

Για χρόνια, οι ερευνητές υποπτεύονταν ότι δύο πρωτεΐνες, οι A622 και BBL, εμπλέκονταν σε αυτή τη διαδικασία, χωρίς όμως να μπορούν να προσδιορίσουν τον ακριβή τους ρόλο. Οι πειραματικές προσπάθειες οδηγούσαν σε αδιέξοδο. Η καθοριστική πρόοδος ήρθε όταν η ομάδα εξέτασε τα γονίδια που περιβάλλουν το A622 στο γενετικό υλικό του φυτού καπνού. Εκεί εντόπισαν δύο ακόμη γονίδια: ένα που προσθέτει γλυκόζη σε μόρια και ένα που την αφαιρεί. Το γεγονός ότι αυτά τα γονίδια βρίσκονταν το ένα δίπλα στο άλλο αποτέλεσε κρίσιμο στοιχείο, καθώς στα φυτά τα γονίδια που συνεργάζονται συχνά εντοπίζονται σε ομάδες.

Αυτό οδήγησε τους επιστήμονες στη νέα υπόθεση ότι το A622 δεν δρούσε απευθείας πάνω στο νικοτινικό οξύ, αλλά σε μια εκδοχή του που είχε προσωρινά «επισημανθεί» με γλυκόζη. Και ότι αυτή η προσθήκη ζάχαρης ήταν το κλειδί για να προχωρήσει η χημική αντίδραση.

Αναπαράγοντας τη σύνθεση της νικοτίνης στο εργαστήριο

Για να ελέγξουν την υπόθεση, οι ερευνητές αναδημιούργησαν τη διαδικασία σε δοκιμαστικό σωλήνα, χρησιμοποιώντας καθαρές μορφές τεσσάρων πρωτεϊνών και τα απαραίτητα χημικά συστατικά. Κάθε πρωτεΐνη είχε διακριτό ρόλο: η πρώτη πρόσθετε τη γλυκόζη, η δεύτερη ενεργοποιούσε το μόριο για τη σύνδεση των δακτυλίων, η τρίτη κατηύθυνε τη χημεία προς τη σωστή μορφή της νικοτίνης, και η τέταρτη αφαιρούσε τη γλυκόζη για να παραχθεί το τελικό προϊόν.

Όταν όλες οι πρωτεΐνες συνεργάζονταν, παράγονταν μόρια (S)-νικοτίνης – η μορφή που κυριαρχεί φυσικά στα φυτά καπνού. Ελλείψει κάποιου ενζύμου, η αντίδραση σταματούσε ή οδηγούσε σε άλλα προϊόντα. Τα ίδια αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν και σε ζωντανά κύτταρα του φυτού Nicotiana benthamiana, το οποίο δεν παράγει φυσικά νικοτίνη.

Για οπτική επιβεβαίωση, η ομάδα χρησιμοποίησε ακτίνες Χ σε κρυστάλλους δύο βασικών πρωτεϊνών, δημιουργώντας τρισδιάστατα μοντέλα που έδειξαν πώς εφαρμόζονται τα μόρια μέσα στις θέσεις δράσης τους. Οι εικόνες επιβεβαίωσαν ότι τα ένζυμα συγκρατούσαν τα μόρια με ακρίβεια, όπως προέβλεπε το θεωρητικό μοντέλο.

Όταν οι ερευνητές αντικατέστησαν ένα από τα αρχικά συστατικά με διαφορετική ένωση, το ίδιο τετραπλό σύστημα παρήγαγε συγγενείς φυσικές ουσίες που υπάρχουν επίσης στον καπνό. Η δυνατότητα αυτής της «αρθρωτής συναρμολόγησης» ανοίγει τον δρόμο για την παραγωγή ποικίλων χρήσιμων μορίων στο εργαστήριο.

Έπειτα από δύο αιώνες από την πρώτη απομόνωση της νικοτίνης από τα φύλλα του καπνού, η επιστήμη διαθέτει πλέον πλήρη εξήγηση για τη διαδικασία παραγωγής της. Και η απάντηση, όπως αποδείχθηκε, κρυβόταν σε ένα παροδικό μόριο ζάχαρης που κανείς δεν είχε σκεφτεί να αναζητήσει.