Pachnące jak herbata liście krasnodrzewu pospolitego (Erythroxylum coca Lam.), znanego też jako krzew kokainowy lub koka, zawierają od 0,25 do 1,3 proc. kokainy. Choć wytwarzanie kokainy wyewoluowało, aby pomoc roślinom odstraszać owady - pobudzające działanie tej substancji przyciągnęło uwagę starożytnych mieszkańców Andów. Od tysiącleci miejscowi żują liście koki lub zaparzają je, by lepiej znosić zmęczenie, głód, a zwłaszcza chorobę wysokościową, zwaną przez nich "soroche". Uprawa koki to opłacalne zajęcie w górskich rejonach Ameryki Południowej - zbiory liści możliwe są nawet cztery razy w roku. W Peru czy Boliwii ekstrakt z liści koki dodaje się do napojów, cukierków, ciastek czy pasty do zębów. Natomiast uzyskiwana z liści czysta kokaina, o znacznie silniejszym działaniu jest stosowana w medycynie, jednak kojarzy się przede wszystkim z kartelami narkotykowymi osiągającymi miliardowe zyski.

Dokonywane przez krasnodrzew synteza kokainy jest procesem bardzo skomplikowanym - naukowcy od dziesięcioleci pracowali nad jej poznaniem. Oprócz przemysłu farmaceutycznego - który mógłby tworzyć nowe związki o podobnej budowie, zainteresowani byli także biolodzy, którym taka wiedza pomogłaby lepiej zrozumieć ewolucję podobnych naturalnych pestycydów w królestwie roślin.

Dopiero teraz naukowcom z chińskiego Kunming Institute of Botany udało się poznać ostatnie ważne etapy biosyntezy kokainy, a nawet zrekonstruować ten proces w zmodyfikowanej roślinie - tytoniu (zwykły tytoń syntetyzuje nikotynę, również działającą owadobójczo).

O ile uprawa takiego tytoniu nie jest zdaniem ekspertów bardziej opłacalna niż zwykłej koki, to podobna modyfikacja drożdzy lub bakterii może znaleźć zastosowanie w farmacji.

Kokaina należy do klasy cząsteczek organicznych znanych jako alkaloidy tropanowe. Innymi alkaloidami tego typu są na przykład atropina i hioscyjamina, wytwarzane przez pokrzyk wilczą jagodę (Atropa belladonna) i od dawna stosowane w medycynie, aby rozszerzyć źrenice, paraliżować gruczoły ślinowe podczas operacji i łagodzić zaburzenia rytmu serca.

Z chemicznego punktu widzenia kokaina ma wiele wspólnego z hioscyjaminą, a niedawno odkryto, że obie pochodzą z tego samego prekursora – cząsteczki zwanej kwasem 4-(1-metylo-2-pirolidynylo)-3-oksobutanowym (w skrócie MPOA).

Strukturalna różnica między tymi dwiema cząsteczkami jest niewielka, ale znacząca. Sposób, w jaki krzew kokainowy przekształca MPOA w kokainę, do tej pory pozostawał tajemnicą. Teraz udało się zidentyfikować parę enzymów nazwanych EnCYP81AN15 i EnMT4. Choć proces syntezy nie został jeszcze całkowicie poznany, zdaniem naukowców do jego przeprowadzenia wystarczają znane już nauce enzymy.

Dowiedli tego chińscy naukowcy, włączając sześć genów odpowiedzialnych za produkcję kokainy do gernomu tytoniu (Nicotiana benthamiana). Powstała genetyczna hybryda potrafi wypełniać luki w procesie syntezy przy użyciu własnych enzymów - zmodyfikowany tytoń rzeczywiście wytwarza kokainę.

Zdaniem autorów badania (doi.org/10.1021/jacs.2c09091) dzięki poznaniu procesu syntezy można będzie tworzyć nowe związki bioaktywne, potencjalnie umożliwiając naukowcom ulepszenie formuły i odkrycie nowych związków o silniejszym działaniu. (PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ zan/