托品烷生物碱（TAs）是一类具有吡咯环和哌啶环骈合而成的托品烷基本骨架的生物碱，其代表性成员莨菪碱和可卡因是具有悠久药用历史，而且是目前仍然在临床上广泛应用的重要天然药物。1860年可卡因从古柯叶中被分离纯化获得，而后被用作眼科手术治疗的麻醉药，是历史上第一个被发现和使用的局部麻醉药，目前临床上使用的卡因类局麻药都是由可卡因改构而来。此外，可卡因还曾经是著名饮料的配方之一。然而由于成瘾性，自1914年起，除医疗外禁止使用可卡因和古柯叶。在2018年，可卡因由于其不可替代的优点被FDA批准为口腔和鼻腔外科手术的局麻药。中国科学院昆明植物研究所植物化学与西部植物资源持续利用国家重点实验室，黄胜雄研究员带领的天然产物生物合成及药用植物资源攻关团队长期聚焦于托品烷生物碱的生物合成研究，取得了一系列重要突破。 

　　2019年，黄胜雄专题组从茄科植物中鉴定了参与莨菪碱托品烷骨架构建的聚酮合酶PYKS，通过蛋白晶体结构和定点突变实验解析了其催化机制（Nat Commun, 2019, 10, 4036），首次通过实验证明了Robinson的经典托品酮化学全合成是仿生合成；2020年，该组阐明了负责莨菪碱酯化步骤的关键酶基因（New Phytol, 2020, 225, 1906）；2021年，该组解析了催化莨菪碱醛生成莨菪碱的氧化还原酶HDH的催化机制，实现了莨菪碱生物合成途径的完整解析（ACS Catal, 2021, 11, 2912）；并受邀撰写综述回顾了近100年来托品烷生物碱的生物合成研究史（Nat Prod Rep, 2021, 38, 1634）；今年，该组从古柯科植物中鉴定了参与可卡因托品烷骨架构建的聚酮合酶PKS1/2，并揭示了古柯科和茄科聚酮合酶独立进化但功能趋同的独特现象（Nat Commun, 2022, 13, 4994）。 

　　近日，该组综合利用转录组分析、分子生物学以及有机化学合成等手段，解决了长期遗留的可卡因托品烷骨架构建的世纪难题，并在烟草中实现了可卡因合成路径的从头构建。该研究鉴定了负责可卡因托品烷骨架构建的氧化酶CYP81AN15和甲基转移酶MT4，明确了可卡因托品烷骨架的形成过程（图A）：S-MPOA经氧化酶CYP81AN15氧化环化生成不稳定中间体芽子酮，随后经甲基转移酶MT4催化甲基化生成(+)-甲基芽子酮，从而纠正了长期存在的但不正确的MPOA先甲基化后再氧化的猜想。有趣的是，可卡因生物合成路径中氧化酶CYP81AN15负责催化中间产物芽子酮的生成，同时Robinson一锅法合成托品酮的反应中也是经由芽子酮作为中间体，这再次阐明了经典托品酮化学全合成的仿生合成之美（图A和B）。在此基础上，研究人员进一步利用体外酶促实验表征了氧化酶CYP81AN15和甲基转移酶MT4的底物手性选择性，解决了可卡因生物合成路径中如何从消旋的MPOA生成手性托品烷骨架的疑惑（图A）。最终，研究人员利用氧化酶CYP81AN15和甲基转移酶MT4，以及四个已鉴定的功能酶（PMT1, PKS1, MecgoR和CS）在烟草中组建最简生物合成路径，实现了可卡因的从头合成，这标志着一条接近完整的可卡因生物合成途径的阐明（图C）。 

　　以上研究成果以Discovery and Engineering of the Cocaine Biosynthetic Pathway为题，在Journal of the American Chemical Society上即将以Front Cover形式发表。黄胜雄专题组的王永江博士后、黄建萍副研究员和田恬博士研究生为本论文的共同第一作者，黄胜雄研究员为通讯作者，先正达顾玉诚教授和中科院西双版纳热带植物园陈江华研究员为本研究提供了大力支持。以上研究工作得到了国家合成生物学重点研发计划、中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、分子植物科学卓越创新中心以及云南省科技厅等项目资助。 

　　文章链接

A：可卡因托品烷骨架合成途径；B：经典托品酮化学全合成；C：可卡因合成路径在烟草中从头构建