转基因烟草植物的叶子会产生可卡因

诸平

Cocaine is extracted from the leaves of the coca plant. Credit: Alamy Stock Photo

据《技术泰晤士》（Tech Times）网站2022年11月25日报道，有种转基因烟草植物可以用它的叶子产生可卡因（Genetically modified tobacco plant produces cocaine in its leaves）。此类研究结果将有助于人们生产用于研究的药物。

可卡因（Cocaine）是一种具有医疗用途的物质，但也会造成严重的滥用和成瘾危险。根据《新科学家》（New Scientist）杂志网站的一篇报道，生物化学家在烟草植物中重现了古柯植物（coca plants）产生可卡因的生物化学过程。

解析古柯植物的生物化学（Unpicking the Coca Plant's Biochemistry）

《新科学家》（New Scientist）杂志网站的报道称，导致古柯植物产生可卡因的复杂生物化学已经被分离出来，并在一种烟草植物的亲缘中重新培育。

这一发现使得通过改变其他植物或微生物的基因来复制这一过程，从而有可能复制这种兴奋剂或制造出具有不同质量的化学上相关的化学品。

也可以参阅：“FDA最近批准了世界上最昂贵的药物——价值350万美元”（FDA Recently Approves the World's Most Expensive Drug - Worth $3.5 Million!）的相关报道。

一个多世纪以来，古柯植物生产可卡因的能力一直是生物化学家的一个奇迹，因为它复杂而独特的化学结构和刺激麻醉活性的能力。

中国科学院昆明植物研究所（Kunming Institute of Botany in China）的黄胜雄（Sheng-Xiong Huang）研究员和他的同事发现了一种更好地了解这种物质的方法，他们引入了两种以前不存在的酶，即EnMT4和EnCYP81AN15。

利用这两种酶，生物化学家研究团队从基因上改造了烟草植物的一种亲缘植物——本氏烟（Nicotiana benthamiana），从而产生可卡因。他们发现，每毫克干叶子可以产生400纳克（400 ng/g dried leaf）的可卡因，大约是古柯植物含量的25%。

据黄胜雄研究员介绍，目前烟草中可卡因的生产不足以大规模满足需求。他还提到，高生物量和快速生长的生物，如大肠杆菌（Escherichia coli）或酵母菌（Saccharomyces cerevisiae），可能会组装已建立的生物合成途径。黄胜雄等人的研究结果，于2022年11月14日已经在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）杂志网站发表——Yong-Jiang Wang, Jian-Ping Huang, Tian Tian, Yijun Yan, Yin Chen, Jing Yang, Jianghua Chen, Yu-Cheng Gu, Sheng-Xiong Huang. Discovery and Engineering of the Cocaine Biosynthetic Pathway. Journal of the American Chemical Society, Publication Date: November 14, 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c09091. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.2c09091

参与此项研究的除了来自昆明植物研究所的研究人员之外，还有来自成都中医药大学（Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, China）、中国科学院西双版纳热带植物园（Xishuangbanna Tropical Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Kunming, China）、 中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China）以及英国布拉克内尔的先正达·杰洛特·希尔国际研究中心（Syngenta Jealott’s Hill International Research Centre, Bracknell, Berkshire, UK）的研究人员。

可卡因吸食史（History of Cocaine Use）

据美国缉毒局（US drug enforcement agency简称US DEA）博物馆（DEA Museum）介绍，4000多年前，玻利维亚（Bolivia）、秘鲁（Peru）和哥伦比亚（Columbia）的第一批居民将古柯植物作为一种药物。在16世纪，欧洲探险家也曾经报告过，当地人咀嚼这种植物的叶子来改善情绪，帮助消化，增加食欲。

另外，信不信由你决定。就是世界著名的可口可乐（Coca-Cola）饮料在19世纪晚期就将可卡因作为其主要调味原料之一。直到20世纪初，粗可卡因才退出流通。这一信息来自美国毒品执法机构——美国缉毒局（US DEA）。有趣的是，可口可乐公司却矢口否认（denies）曾使用可卡因调味。

可口可乐口味目前在美国使用去可卡因版本的古柯叶提取物（de-cocainized version of the coca leaf extract）生产。美国DEA还表示，部分制药企业将剩余的粗可卡因用于制药。

在20世纪初，西方医学对古柯植物进行了改良，使其成为一种麻醉剂。直到20世纪70年代，大麻才作为一种被滥用的麻醉药品重新被引入市场，成为一种容易获得的廉价非法药物。

美国联邦政府将可卡因列为第二类管制物质（Schedule II controlled substance）。这意味着法律对可卡因的持有、制造和使用给予了许可和限制。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Cocaine, the archetypal tropane alkaloid from the plant genus Erythroxylum, has recently been used clinically as a topical anesthesia of the mucous membranes. Despite this, the key biosynthetic step of the requisite tropane skeleton (methylecgonone) from the identified intermediate 4-(1-methyl-2-pyrrolidinyl)-3-oxobutanoic acid (MPOA) has remained, until this point, unknown. Herein, we identify two missing enzymes (EnCYP81AN15 and EnMT4) necessary for the biosynthesis of the tropane skeleton in cocaine by transient expression of the candidate genes in Nicotiana benthamiana. Cytochrome P450 EnCYP81AN15 was observed to selectively mediate the oxidative cyclization of S-MPOA to yield the unstable intermediate ecgonone, which was then methylated to form optically active methylecgonone by methyltransferase EnMT4 in Erythroxylum novogranatense. The establishment of this pathway corrects the long-standing (but incorrect) biosynthetic hypothesis of MPOA methylation first and oxidative cyclization second. Notably, the de novo reconstruction of cocaine was realized in N. benthamiana with the two newly identified genes, as well as four already known ones. This study not only reports a near-complete biosynthetic pathway of cocaine and provides new insights into the metabolic networks of tropane alkaloids (cocaine and hyoscyamine) in plants but also enables the heterologous synthesis of tropane alkaloids in other (micro)organisms, entailing significant implications for pharmaceutical production.