پژوهشگران میدانستند نیکوتین وجود دارد، میدانستند اعتیادآور است و میدانستند نقش مهمی در یک بحران جهانی سلامت ایفا میکند. اما موضوعی که با وجود سالها پژوهش همچنان ناشناخته مانده بود، این بود که گیاه تنباکو دقیقاً چگونه این ماده را میسازد. اکنون گروهی از پژوهشگران این راز را کشف کردهاند. آنها دریافتند که این موضوع شامل یک ترفند شیمیایی است که هیچکس آن را پیشبینی نمیکرد.
به گزارش یورونیوز، نتایج یک پژوهش جدید که در مجله «نیچر کامیونیکیشنز» منتشر شده است، نشان میدهد گیاه تنباکو ساخت نیکوتین را از طریق یک مرحله پنهان و غیرمنتظره که به قند مربوط میشود، تکمیل میکند. بهطور مشخص، گیاه بهطور موقت یک مولکول گلوکز، یعنی همان قند سادهای که در مواد غذایی یافت میشود را به یکی از اجزای سازنده نیکوتین متصل میکند. سپس از این اتصال برای امکانپذیر کردن یک واکنش کلیدی استفاده میکند و پس از اتمام کار، مولکول قند را دوباره جدا میسازد.
این گلوکز هرگز در مولکول نهایی نیکوتین ظاهر نمیشود، موضوعی که باعث پنهان ماندن آن از دید دانشمندان برای مدت طولانی شده بود. پژوهشگران این فرآیند را «گلیکوزیلاسیون فعالکننده پنهان» مینامند، یعنی مولکول قندی که پشت صحنه در نقش یک دستیار ایفای نقض میکند و پیش از تکمیل محصول نهایی ناپدید میشود.
شناخت این مسیر زیستی میتواند به پژوهشگران کمک کند تا گیاهان تنباکو را به گونهای پرورش دهند که میزان تولید نیکوتین در آنها تغییر کند. همچنین ممکن است ابزارهای آنزیمی جدیدی را برای تولید ترکیبات مشابه در آزمایشگاه فراهم آورد.
این موضوع در حوزه تولید زیستی مبتنی بر گیاهان اهمیت دارد، زیرا گونه نیکوتیان هماکنون بهعنوان یک سامانه تولید انعطافپذیر استفاده میشود و وجود نیکوتین میتواند فرآیند خالصسازی محصولات را پیچیده کند. افزون بر این، این کشف به معمایی زیستی پاسخ میدهد که پژوهشگران را از زمان جداسازی نخستین نیکوتین در سال ۱۸۲۸ سردرگم کرده بود.
نیکوتین از دو حلقه شیمیایی متصل به هم تشکیل شده است. یکی از این حلقهها از اسید نیکوتینیک ساخته میشود، ترکیبی که از نظر شیمیایی خویشاوند نزدیک ویتامین ب۳ است. حلقه دیگر از مادهای به نام ان-متیلپیرولینیوم به وجود میآید.
گیاه باید این دو بخش را به هم متصل کند و برای انجام این کار لازم است یکی از حلقهها را از نظر شیمیایی «فعال» سازد تا به اندازه کافی واکنشپذیر شود و بتواند با حلقه دیگر پیوند برقرار کند.
دانشمندان برای دههها گمان میکردند دو پروتئین به نامهای «ای۶۲۲» و «بیبیال» در مرحله اتصال این حلقهها نقش دارند، اما هیچکس نمیتوانست دقیقاً مشخص کند که این پروتئینها چه کاری انجام میدهند یا روی کدام مواد شیمیایی اثر میگذارند. آزمایشها بارها به بنبست رسیدند.
نکته کلیدی زمانی آشکار شد که گروه پژوهشی ژنهای اطراف «ای۶۲۲» را در نقشه ژنتیکی تنباکو بررسی کرد. درست در کنار آن، ژنهای مربوط به دو پروتئین دیگر قرار داشتند، یکی که مولکولهای گلوکز را به ترکیبات مختلف متصل میکند و دیگری که آنها را جدا میسازد. در گیاهان، ژنهایی که در یک کار مشابه مشارکت دارند اغلب در نزدیکی یکدیگر قرار میگیرند و این همجواری سرنخ مهمی برای دانشمندان بود.
این مشاهده، پژوهشگران را به فرضیهای جدید رساند و آن این بود که شاید «ای۶۲۲» مستقیماً روی اسید نیکوتینیک عمل نمیکند، بلکه روی نسخهای از آن کار میکند که به گلوکز متصل شده است. و همچنین شاید همین گلوکز کلید انجام واکنش باشد.
برای آزمودن این فرضیه، پژوهشگران مسیر تولید نیکوتین را در یک سامانه ساده آزمایشگاهی بازسازی کردند. آنها از نسخههای خالصشده چهار پروتئین بههمراه مواد اولیه و همعاملهای شیمیایی لازم استفاده کردند.
در این فرآیند، هر پروتئین نقش مشخصی داشت، پروتئین اول یک مولکول گلوکز را به اسید نیکوتینیک متصل میکرد، پروتئین دوم این ترکیب جدید را برای واکنش اتصال حلقهها آماده میساخت، پروتئین سوم واکنش را به سمت تولید شکل فضایی صحیح نیکوتین هدایت میکرد، و پروتئین چهارم مولکول گلوکز را جدا میکرد تا محصول نهایی آزاد شود.
نویسندگان این مقاله تصرح کردهاند که سازوکار دقیق مرحله سوم هنوز به بررسیهای بیشتری نیاز دارد.
زمانی که هر چهار پروتئین در کنار هم بودند، پژوهشگران موفق شدند نیکوتین نوع (اس)-نیکوتین را تولید کنند، همان شکلی که بخش عمده نیکوتین طبیعی گیاه تنباکو را تشکیل میدهد. در غیاب هر یک از این اجزا، واکنش یا متوقف میشد یا به تولید ترکیبات دیگری منجر میشد.
سپس پژوهشگران همین نتایج را در سلولهای زنده گیاهی نیز تأیید کردند. آنها از برگهای گونهای خویشاوند تنباکو به نام نیکوتیان استفاده کردند که بهطور طبیعی نیکوتین تولید نمیکند.
برای تأیید تصویری این فرآیند، گروه پژوهشی بلورهای دو پروتئین کلیدی را با استفاده از پرتوهای ایکس بررسی کرد و مدلهای سهبعدی دقیقی از ساختار آنها به دست آورد. این تصاویر نشان دادند که هر دو پروتئین مولکولهای هدف خود را دقیقاً در زاویهای نگه میدارند که برای انجام واکنش مورد نیاز است، موضوعی که با مسیر پیشنهادی پژوهشگران کاملاً مطابقت داشت.
زمانیکه پژوهشگران یکی از اجزای اتصالدهنده حلقهها را با ترکیب دیگری جایگزین کردند، همین سامانه چهارپروتئینی بهجای نیکوتین، ترکیبات طبیعی مرتبط دیگری را که در تنباکو یافت میشوند تولید کرد. چنین خط تولید مولکولی انعطافپذیری میتواند راه را برای تولید طیف گستردهای از مواد ارزشمند در محیط آزمایشگاه هموار کند.
دو قرن پس از آنکه نیکوتین برای نخستین بار از برگهای تنباکو بهدست آمد، علم سرانجام پاسخ کاملی برای این پرسش پیدا کرده است که گیاه تنباکو چگونه آن را میسازد. بنابراین همانطور که مشخص شد، کلید حل این معما در یک مولکول قند گذرا نهفته بود، مولکولی که هیچکس تصور نمیکرد لازم باشد که به دنبال آن بگردد.