Nature：奎宁生物合成之谜已解开

几个世纪以来，金鸡纳树如何产生其珍贵的生物碱（包括用于治疗疟疾的救命药奎宁）的过程一直是个谜。如今，耶拿马克斯·普朗克化学生态研究所的一个研究团队与佐治亚大学的同事合作，揭开了这个秘密。在一项新的研究中，科学家们展示了这种植物如何逐步构建奎宁特有的复杂分子结构。研究人员还确定了负责催化植物内部化学反应的酶。这项研究为可持续、高效地在实验室生产奎宁及其相关活性成分等天然物质开辟了新的途径。

　　

奎宁350年的历史，从克丘亚树皮到化疗药物——耶拿岛见证的重要里程碑

350多年来，奎宁和其他从金鸡纳树（金鸡纳属）中提取的物质一直是治疗疟疾的唯一有效药物。疟疾是一种由疟原虫属单细胞寄生虫引起的热带疾病，通过按蚊传播。“金鸡纳树”这个名称实际上源自南美洲，来自克丘亚语“quina-quina”，意为“树皮中的树皮”。17世纪，耶稣会士可能将“quina-quina”粉末带到欧洲，作为一种有效的退烧药。直到19世纪初，人们才确定奎宁是金鸡纳树皮中的活性成分，并通过酒精提取法将其分离出来。 “奎宁是最早从天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剂。时至今日，它仍然被用于治疗疟疾，例如在热带中非地区，疟疾是导致疾病和死亡的常见原因，”德国耶拿马克斯·普朗克化学生态研究所天然产物生物合成系博士后研究员、该研究的主要作者之一布莱斯·金巴迪·隆贝（Blaise Kimbadi Lombe）说道。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（一种存在于汤力水和苦柠檬等饮料中的苦味物质）和奎尼丁（一种治疗心律失常的药物），有着悠久的历史。除了药用价值外，金鸡纳生物碱还可用作许多化学反应的催化剂。耶拿在奎宁研究中扮演着尤为重要的角色，因为正是在耶拿的弗里德里希·席勒大学，化学家保罗·拉贝于1908年首次描述了奎宁的分子结构。

对金鸡纳生物碱生物合成关键的长期探索

金鸡纳树生物碱价值极高，估计年经济价值达20亿美元。然而，工业生产过程需要从大规模热带种植园中种植的金鸡纳树中提取和纯化这些化合物。因此，金鸡纳树如何产生这些活性成分一直是100多年来的研究重点。解开这个谜团受到多种因素的制约。这些因素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（这使得难以预测哪些类型的酶可能参与该途径）以及分析方法的不足。此外，在温室和无菌条件下种植红金鸡纳树也带来了挑战。

耶拿大学之前的研究阐明了代谢途径的第一部分，并鉴定了中间产物柯南醇。进一步的实验表明，植物会将该中间体转化为最终的金鸡纳生物碱。然而，这种转化的机制以及涉及的酶仍然未知。“具体来说，我们想知道：柯南醇骨架是如何转化的？哪些酶催化了这一过程？这些酶能否用于在模式生物中简便、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型金鸡纳生物碱类似物？”天然产物生物合成系博士生周婷安在描述这项研究的目的时解释道。

金鸡纳树如何产生其神奇分子：一个科学侦探故事

为了解金鸡纳树如何产生金鸡纳生物碱，科学家们破解了一个类似于化学侦探工作的复杂谜题。首先，他们将特制标记的前体添加到红金鸡纳树（Cinchona pubescens）的叶、茎和根中，并追踪这些前体如何转化为后续化合物，在植物组织中寻找标记的“痕迹”。这使他们能够识别出三种此前未知的中间产物，作为解开谜题的关键。然后，他们寻找催化这些中间产物转化的酶。利用来自植物不同部位的基因和蛋白质数据，并与相关植物物种进行比较，研究人员发现了两种能够产生一种新发现的中间物质——丙二酰柯南醇的酶。为了验证丙二酰柯南醇是否是代谢途径的一部分，科学家们采用了一种方法暂时关闭编码该化合物的基因，从而证实丙二酰柯南醇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柯南醇转化为一种名为辛可宁的新发现中间产物的酶。经过多次失败的尝试，研究团队通过整合来自不同植物物种和部位的基因活性、蛋白质和基因模式数据，最终确定了合适的基因。从序列上看，这种酶似乎是一种转移酶。令研究人员感到非常惊讶的是，一种转移酶竟然能够催化这种不寻常的环化反应。

研究人员随后发现，辛可尼中间体还要经历两次反应才能形成所谓的“喹啉-奎宁环骨架”。“在两种不相关酶催化的一系列转化中，该骨架从吲哚环系扩展到喹啉环系。我们鉴定出这两种酶分别是α-酮戊二酸依赖性双加氧酶和细胞色素P450，”布莱斯·金巴迪·隆贝总结了这一生物合成过程。 

研究团队随后利用这些酶成功生产出已知的药用化合物以及可能用于医疗用途的衍生物。

从树皮到实验室：可持续药物生产的突破

“我们的研究进一步证明，大自然是最好的化学家。我们发现的这些酶开辟了广泛的可能性，包括利用生物技术生产具有医学或化学价值的化合物，”该研究的负责人、马克斯·普朗克化学生态研究所所长兼天然产物生物合成部主任莎拉·奥康纳说道。

科学家预测，目前通过从金鸡纳树皮中提取获得的重要金鸡纳生物碱的生产，最终将转向合成生物学方法。