Chinesische Forscher haben das Geheimnis der Nikotinproduktion in Tabakpflanzen entschlüsselt und neue Enzyme sowie ein entscheidendes Gen identifiziert. Diese Entdeckung könnte weitreichende Auswirkungen auf die Landwirtschaft und die Medizin haben.

In einer kürzlich im Journal Cell veröffentlichten Studie haben Wissenschaftler des Zentrums für Exzellenz in Molekularen Pflanzenwissenschaften (CEMPS) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften umfassend dokumentiert, wie das Nikotin in der Wildart Nicotiana attenuata, auch bekannt als Coyotetabak, biosynthetisiert wird.

Nikotin gehört zur Familie der Nachtschattengewächse, zu der auch Tomaten, Kartoffeln und Auberginen zählen. Es hat sich als wirksames Insektizid erwiesen und wird seit dem späten siebzehnten Jahrhundert in der Landwirtschaft als Pflanzenschutzmittel eingesetzt. Darüber hinaus gibt es vielversprechende Ansätze zur Verwendung von Nikotin in der Behandlung von neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson.

Um die Mechanismen der Nikotinproduktion zu verstehen, kombinierten die Forscher verschiedenste biologische Daten, die von Genen bis hin zu Molekülen reichen. Dies führte zur Identifizierung einer nikotinfreiem Mutantenpflanze, die essenziell für die Entdeckung eines wichtigen Gens war, welches für die Bildung der Struktur von Nikotin verantwortlich ist.

Die Resultate zeigen, dass Pflanzen Nikotin nicht in einem einzigen Schritt synthetisieren, sondern eine temporäre Gruppe von fünf verschiedenen Enzymen nutzen, die zusammen wie eine Montagelinie funktionieren. Diese Gruppe, als Metabolon bekannt, führt koordinierte chemische Reaktionen durch.

Zusätzlich entdeckten die Forscher, dass Pflanzen eine komplexe Strategie namens Glykosylierung/Entglykosylierung verfolgen, um die abschließende Reaktion zu vollenden, die die beiden heterocyclischen Ringe von Nikotin miteinander verbindet. Die Pflanze fügt einem reaktiven Zwischenprodukt ein Zuckermolekül hinzu, um Stabilität zu gewährleisten, bevor sie es nach mehreren Reaktionsschritten entfernt.

Dieser Mechanismus kann als eine Lösung für das sogenannte Autotoxizitätsdilemma betrachtet werden, bei dem sich Pflanzen nicht durch ihre eigenen Abwehrstoffe vergiften.

Sobald Nikotin gebildet wurde, transportiert ein spezifischer Transporter das Nikotin in die Vakuole, ein Speicherkompartiment innerhalb der Zelle, wo es bis zu seiner Nutzung sicher aufbewahrt wird.

"Diese Entdeckung bringt uns dem jahrzehntelangen Rätsel der Nikotinsynthese näher," sagte Li Dapeng, ein Forscher des CEMPS.

"Diese Erkenntnisse eröffnen zudem die Möglichkeit, synthetische Biologie zu nutzen, um Nikotin und andere wertvolle natürliche Verbindungen effizienter und besser kontrolliert zu produzieren," fügte Li hinzu.