Ερευνητές αποκάλυψαν τον τρόπο με τον οποίο δύο από τα πιο δηλητηριώδη φυτά στον κόσμο παράγουν χημικές ουσίες με σημαντικές θεραπευτικές προοπτικές. Μελετώντας χιλιάδες γονίδια του ακονίτου (wolfsbane) και του δελφίνιου (larkspur), εντόπισαν έξι ένζυμα που απαιτούνται για τη σύνθεση μιας πολύπλοκης ένωσης, της ατισινίου (atisinium). Στη συνέχεια αναπαρήγαγαν αυτή τη βιοχημική διαδικασία σε φύλλα καπνού, ανοίγοντας τον δρόμο για βιώσιμη παραγωγή αυτών των σπάνιων μορίων και περαιτέρω μελέτη των φαρμακευτικών ιδιοτήτων τους.
Επιμέλεια: Μάνος Σιγανός
Δύο δηλητηριώδη λουλούδια ίσως κρύβουν το «κλειδί» για νέα φάρμακα
Δύο φυτά που μπορούν να προκαλέσουν σοβαρή βλάβη στο νευρικό σύστημα και παράλυση ακόμη και σε εξαιρετικά μικρές δόσεις ενδέχεται να αποτελέσουν πολύτιμη πηγή νέων φαρμάκων για την αντιμετώπιση του πόνου, της ελονοσίας, του καρκίνου, αλλά και για την ανάπτυξη φυσικών φυτοπροστατευτικών προϊόντων.
Επιστήμονες κατάφεραν πλέον να αναπαράγουν μέρος της πολύπλοκης χημείας αυτών των φυτών σε εργαστηριακές συνθήκες, δημιουργώντας μια πιθανή οδό για πιο βιώσιμη παραγωγή φυσικών φαρμακευτικών ουσιών.
Η μελέτη επικεντρώθηκε στο ακόνιτο (wolfsbane ή monkshood) και στο δελφίνιο (larkspur) και πραγματοποιήθηκε από ερευνητές του Michigan State University και της Τσεχικής Ακαδημίας Επιστημών. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Molecular Plant.
«Τα φυτά αυτά χρησιμοποιούνται σε διάφορα παραδοσιακά συστήματα ιατρικής εδώ και χιλιάδες χρόνια», δήλωσε ο Garret Miller, ένας από τους κύριους συγγραφείς της μελέτης και σήμερα επίκουρος καθηγητής Βιοτεχνολογίας στο University of Michigan-Flint.
Όπως εξήγησε, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι οι ενώσεις τους αλληλεπιδρούν με πολλούς διαφορετικούς τρόπους με τον ανθρώπινο οργανισμό και η κατανόηση του τρόπου παραγωγής τους μπορεί να οδηγήσει σε εντελώς νέες θεραπευτικές εφαρμογές.
Τα φυτά παραμένουν οι κορυφαίοι «χημικοί» της φύσης
Παρά τη σημαντική πρόοδο της σύγχρονης επιστήμης, τα φυτά εξακολουθούν να ξεχωρίζουν για την ικανότητά τους να συνθέτουν εξαιρετικά πολύπλοκες φυσικές χημικές ενώσεις.
«Τα φυτά είναι οι καλύτεροι χημικοί που υπάρχουν. Εξελίσσουν το οπλοστάσιο των φυσικών τους ουσιών εδώ και εκατομμύρια χρόνια, ώστε να επιβιώνουν», δήλωσε ο καθηγητής Βιοχημείας Björn Hamberger.
Η μεταπτυχιακή φοιτήτρια Lana Mutabdžija υπενθύμισε ότι πολλές γνωστές ουσίες της καθημερινότητας, όπως η καφεΐνη, η καψαϊκίνη, η μενθόλη και η βανιλίνη, προέρχονται από φυτά, ενώ μεγάλο ποσοστό των σημερινών φαρμάκων είτε εξάγεται απευθείας από φυτικούς οργανισμούς είτε βασίζεται στη χημεία τους.
Το εργαστήριο του Hamberger μελετά αυτές τις ενώσεις, γνωστές ως εξειδικευμένοι μεταβολίτες, αναζητώντας τρόπους αξιοποίησής τους στη φαρμακευτική και τη βιοτεχνολογία.
Ένα χημικό αίνιγμα δεκαετιών
Τα τελευταία χρόνια οι ερευνητές επικεντρώθηκαν στο δελφίνιο, επιδιώκοντας να κατανοήσουν πώς παράγει μια κατηγορία ιδιαίτερα πολύπλοκων ουσιών που ονομάζονται διτερπενοειδή αλκαλοειδή.
Οι ενώσεις αυτές είναι εξαιρετικά τοξικές, αλλά ταυτόχρονα παρουσιάζουν σημαντικές θεραπευτικές δυνατότητες.
Η αποκρυπτογράφηση της βιοσύνθεσής τους αποδείχθηκε ιδιαίτερα δύσκολη, καθώς οι χημικές δομές τους είναι από τις πιο πολύπλοκες που συναντώνται στη φύση.
Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η ακονιτίνη, μία από τις πιο γνωστές ουσίες της οικογένειας αυτής. Αν και απομονώθηκε πριν από σχεδόν 200 χρόνια, μέχρι σήμερα δεν έχει καταστεί δυνατή η πλήρης σύνθεσή της στο εργαστήριο.
Η συνεργασία που έφερε την ανακάλυψη
Η έρευνα επιταχύνθηκε όταν, σε επιστημονικό συνέδριο στη Βαρκελώνη, η ομάδα του Hamberger συνάντησε το εργαστήριο του Tomáš Pluskal από την Τσεχική Ακαδημία Επιστημών.
Οι δύο ομάδες διαπίστωσαν ότι μελετούσαν την ίδια οικογένεια τοξικών ουσιών, αλλά σε διαφορετικά φυτά: το δελφίνιο και το ιδιαίτερα δηλητηριώδες ακόνιτο.
Αντί να εργαστούν ανταγωνιστικά, αποφάσισαν να ενώσουν τις δυνάμεις τους.
Αναζητώντας τη «γραμμή παραγωγής» των φυτών
Οι επιστήμονες εξέτασαν πολλά διαφορετικά είδη των δύο φυτών και ανέλυσαν χιλιάδες γονίδια, αναζητώντας εκείνα που ενεργοποιούνται στα σωστά κύτταρα και τη σωστή χρονική στιγμή.
Όπως εξηγεί ο Garret Miller, μια βιοσυνθετική οδός λειτουργεί σαν γραμμή παραγωγής.
«Αν απαιτούνται δέκα διαδοχικά βήματα για να δημιουργηθεί ένα μόριο και σταματήσει το ένα, τότε κανένα από τα επόμενα δεν μπορεί να ολοκληρωθεί.»
Η αποκωδικοποίηση αυτών των βιοχημικών διαδρομών είναι απαραίτητη, επειδή τα φυτά παράγουν τις πολύτιμες ουσίες τους σε εξαιρετικά μικρές ποσότητες.
Μόλις οι επιστήμονες κατανοήσουν ολόκληρη τη διαδικασία, μπορούν να μεταφέρουν τα απαραίτητα γονίδια σε άλλους οργανισμούς ή άλλα φυτά, ώστε να λειτουργούν ως φυσικά «εργοστάσια» παραγωγής.
Φυτά καπνού μετατράπηκαν σε βιολογικά εργοστάσια
Αφού εντόπισαν τα σημαντικότερα γονίδια από το ακόνιτο και το δελφίνιο, οι ερευνητές τα εισήγαγαν σε φυτά καπνού.
Ο καπνός λειτούργησε ως ένα εύχρηστο βιολογικό σύστημα, επιτρέποντας στους επιστήμονες να διαπιστώσουν εάν τα γονίδια μπορούσαν πράγματι να αναπαράγουν τη χημική διαδικασία των αρχικών φυτών.
Οι αναλύσεις επιβεβαίωσαν ότι τα τροποποιημένα φυτά καπνού κατάφεραν να συνθέσουν την ένωση ατισινίου (atisinium), χάρη στη συνεργασία έξι διαφορετικών ενζύμων.
Τα ένζυμα όχι μόνο διαμόρφωσαν τη σύνθετη δομή του μορίου, αλλά προσέθεσαν και μια κρίσιμη πηγή αζώτου, κάτι που οι επιστήμονες δεν είχαν προβλέψει.
Νέες προοπτικές για την ανάπτυξη φαρμάκων
Η αποκάλυψη των πρώτων βημάτων της βιοσύνθεσης ατισινίου αποτελεί σημαντική πρόοδο για τη μελέτη ολόκληρης της οικογένειας των διτερπενοειδών αλκαλοειδών και των πιθανών φαρμακευτικών εφαρμογών τους.
Στόχος των ερευνητών είναι να αναπτύξουν βιώσιμες βιοτεχνολογικές μεθόδους που θα επιτρέψουν την ασφαλή παραγωγή αυτών των πολύπλοκων φυσικών ουσιών χωρίς να απαιτείται συλλογή μεγάλων ποσοτήτων από σπάνια ή ιδιαίτερα τοξικά φυτά.
«Το όραμά μας είναι να δημιουργήσουμε πράσινα και βιώσιμα εργαλεία που θα μας επιτρέψουν να αξιοποιήσουμε τη φυσική δύναμη αυτών των φυτών», δήλωσε ο Björn Hamberger.
Πηγή: Michigan State University