两种能够在极低剂量下导致神经损伤和瘫痪的植物，也可能含有对抗疼痛、疟疾、癌症和农业害虫的有价值的化合物。研究人员现在已找到了一种在实验室环境中再现这种强效化学物质的方法，开辟了基于自然产品的更可持续治疗的可能路径。该研究集中在狼毒和凤仙花上，汇集了密歇根州立大学和捷克科学院的科学家。研究结果发表在《分子植物》杂志上。密歇根州立大学的毕业生、论文的共同第一作者，加雷特·米勒（Garret Miller）说：“这些植物在世界各地以不同形式的药物使用了数千年。我们知道它们与我们身体有许多方面的互动，理解如何制造它们可以帮助提供全新的测试路径。” 有毒植物的强大化学物质 尽管现代科学取得了重大进展，但植物在生产复杂的天然化学物质方面仍无与伦比。“植物是最好的化学家，经过数百万年升级它们的天然化合物武器，以帮助它们生存，”研究作者、密歇根州立大学生物化学与分子生物学系的詹姆斯·K·比尔曼讲座教授比约恩·汉伯格（Björn Hamberger）说。“人类在日常生活中发现了这些分子的无数用途。” 而捷克科学院的研究生、最新论文的共同第一作者拉娜·穆塔布季佳（Lana Mutabdžija）补充道：“这些用途包括咖啡因、辣椒素、薄荷醇和香草醛， 更不用说许多我们今天使用的药物要么直接来源于植物，要么受到植物化学的启发。” 密歇根州立大学的汉伯格实验室研究这些被称为专门代谢物的天然物质，并探索如何将它们应用于实际使用。近年来，该小组将焦点转向了凤仙花，这种植物因其海豚形状的花朵也被称为海葱花。研究人员想要确定该植物如何产生二萜生物碱，这类化学物质具有高度的毒性，但也可能具有有用的医学特性。 长期存在的化学难题 解决这一过程带来了重大挑战。二萜生物碱结合了地球上最古老、最大的两大类植物化学物质的特征。它们的结构非常复杂，以至于科学家们几十年来一直难以确切理解植物是如何构建它们的。阿科尼丁（aconitine）是该家族中最为人熟知的化合物之一，近200年前被分离出来。尽管如此，研究人员仍未在实验室中成功合成出它。该项目通过意想不到的合作关系取得了进展。在巴塞罗那的一次科学会议上，汉伯格遇到了来自捷克科学院托马斯·普卢斯卡尔（Tomáš Pluskal）实验室的研究人员。普卢斯卡尔小组，包括穆塔布季佳，正在研究同样难以处理的狼毒中的二萜生物碱，这是一种著名的有毒植物，亦被称为僧帽花。“当这种情况发生时，我们可以选择各自为政，也可以联合起来，而联合总能带来最好的科学成果，”汉伯格说。 追踪植物的化学组装线 在联合力量后，这个国际团队着手确定狼毒和凤仙花制造二萜生物碱所使用的精确生化步骤序列。这一搜索类似于一场分子寻宝。研究人员检查了这两种植物的几种物种，跟踪数千种基因，寻找那些在合适的时机在合适的组织中“开关开启”的基因。“你可以将生物合成途径想象成一个装配线，”米勒说，他在汉伯格实验室获得了博士学位。“如果你需要连续十个步骤来构建一个成品，但突然有一个步骤停止了，接下来的步骤就无法进行了。” 植物通常以非常小的数量和缓慢的速度生产专门代谢物。因此，识别其背后的生化途径对于大规模生产这些化合物并将其应用于现实世界问题至关重要。一旦研究人员解决了某个途径，他们可以将构建某一化合物的遗传指令转移到经过工程改造的宿主中，例如酵母。这种生物黑客的形式可以将宿主转变为一个生物生产系统，使其制造更大量的所需化学物质，以进行进一步研究和开发。“在理想的情况下，这最终可能有助于创造灵感来源于这些天然产品的新药物，”穆塔布季佳说。 烟草植物变成生物工厂 在识别出狼毒和凤仙花中一组有前景的基因后，研究人员将这些遗传指令转移到烟草植物中。烟草作为一个便利的活体工厂，用于测试这些基因是否能够重现植物的化学过程。分析表明，改造后的烟草