Os alcaloides tropânicos são uma classe particular de compostos derivados de plantas que têm sido explorados pela humanidade desde a domesticação de plantas medicinais. A distribuição destes alcaloides é dispersa entre as plantas com flores e as duas famílias mais estudadas incluem as das Solanaceae (parentes do tomate, tabaco, batata) e as Erythroxylaceae (coca). A OMS lista vários alcaloides tropânicos como alguns dos medicamentos mais importantes da farmacopeia moderna. No entanto, outros compostos, como a cocaína, são mais famosos por suas propriedades narcóticas e eufóricas.

"É fundamental entender como as plantas produzem esses alcalóides para que a humanidade continue a construir sobre a natureza e desenvolver novos medicamentos úteis", diz o Dr. John D' Auria, chefe do grupo de pesquisa "Diversidade Metabólica" do IPK.

O sistema mais estudado e caracterizado para a produção de tropano tem sido historicamente dentro de Solanaceae. Existem mais de dez etapas de modificação química necessárias para transformar os precursores de aminoácidos iniciais nos alcaloides ativos finais, e todas essas etapas foram identificadas e caracterizadas em plantas solanáceas.

A distribuição dispersa de tropanos entre plantas com flores sempre indicou que diferentes famílias podem ter desenvolvido a capacidade de produzir esses alcaloides independentemente umas das outras. De fato, várias etapas da biossíntese do tropano já foram documentadas como tendo evoluído independentemente dentro dos membros das Erythroxylaceae.

"Temos trabalhado na elucidação da via do tropano derivado da coca nos últimos 15 anos e fomos bem-sucedidos em várias etapas importantes da biossíntese da cocaína e de outros tropanos relacionados na coca", dizem os pesquisadores. "A ideia de que a coca compartilharia enzimas e genes semelhantes com seus parentes solanáceos distantes estava incorreta. Embora a estrutura final dos tropanos seja semelhante, o caminho que leva a esses alcaloides é diferente."

Para descobrir as últimas etapas restantes do caminho da coca, o Dr. D'Auria colaborou com o laboratório da Dra. Christina Smolke, da Universidade de Stanford. O grupo Smolke é especialista na manipulação de leveduras e microorganismos para produzir importantes compostos medicinais por meio de métodos de biologia sintética. Sua pesquisa combinada foi publicada na revista Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Com a ajuda [do grupo Smolke], usamos o poder multiplicativo da manipulação de genes em leveduras para testar vários candidatos a genes diferentes para as etapas que faltam no caminho da coca. Em essência, a cada etapa desconhecida, projetamos e testamos várias sequências candidatas, ", relatam os pesquisadores.

Essas sequências candidatas originaram-se de estudos de transcriptoma realizados no grupo do Dr. John D' Auria, bem como no grupo do Dr. Lyndel Meinhardt do USDA em Beltsville, Maryland (EUA).

"Usando esta poderosa plataforma de descoberta de genes, identificamos com sucesso todas as 'etapas que faltam' restantes para a biossíntese de tropano na coca. Isso representa o culminar de mais de dez projetos de estudantes de pós-graduação em meu grupo e 15 anos de minha pesquisa", disse o Dr. D 'Áuria.

A parte mais significativa das descobertas agora confirma que a biossíntese do tropano evoluiu independentemente pelo menos duas vezes durante a evolução das plantas com flores. "Isso é importante porque também mostramos em nosso estudo que você pode misturar e combinar os genes de Solanaceae e Erythroxylaceae e produzir tropanos", dizem os pesquisadores. Em termos leigos, a pesquisa fornece várias ferramentas para os biólogos sintéticos começarem a projetar a via do alcalóide tropano em organismos que nunca os produziram antes e, com a capacidade de usar diferentes enzimas para etapas semelhantes, é possível otimizar ou modificar essas etapas para resultados químicos específicos.

“Além disso, também mostramos que a parte inicial do caminho na coca segue por um interessante ‘desvio’ ou rota alternativa que não existe nas espécies solanáceas”, diz Benjamin Chavez, primeiro autor do estudo e Ph. D. estudante no laboratório D'Auria. "Isso fornece informações sobre como o metabolismo das plantas pode encontrar soluções para os desafios bioquímicos. Ou seja, podemos entender a interação entre os precursores iniciais e seus gargalos."

Por fim, os pesquisadores descobriram uma enzima específica responsável pelo chamado "grupo carbometoxi" presente exclusivamente nos alcaloides da coca . As espécies solanáceas não possuem esta modificação. O grupo carbometoxi é parcialmente responsável pelas propriedades euforígenas da cocaína .