Calea biosintetică a alcaloizilor ipecac: Două plante îndepărtate evolutiv, o soluție chimică comună

Un studiu publicat în Nature Chemical Biology în 2025 de cercetători de la Max Planck Institute for Chemical Ecology din Jena a elucidat pentru prima dată calea biosintetică a alcaloizilor ipecac, substanțe active utilizate în trecut ca emetice, demonstrând că două specii de plante, îndepărtate filogenetic, au dezvoltat în mod independent capacitatea de a le produce. Această descoperire aduce o nouă perspectivă asupra evoluției convergente în metabolismul secundar vegetal și asupra potențialului farmacologic al compușilor naturali rar întâlniți.

Context

Plantele sintetizează o gamă impresionantă de produse naturale, multe dintre ele fiind specifice filogenetic, adesea întâlnite doar într-o familie sau într-o singură specie. Totuși, anumite substanțe — precum alcaloizii ipecac — pot apărea la specii foarte îndepărtate evolutiv. Este cazul a două plante cu rol medicinal cunoscut:

• Ipeca (Carapichea ipecacuanha) – din familia Rubiaceae, originară din America de Sud;

• Alangium salviifolium – din familia Cornaceae, cunoscută în medicina ayurvedică.

Ambele specii produc cefaelină și emetină, doi alcaloizi cu efect emetic, derivați din precursorul protoemetină. Deși activitatea acestor substanțe era cunoscută de mult (de exemplu, siropul de ipeca era utilizat până în anii 1980 în cazuri de intoxicație), mecanismele biosintetice erau în mare parte necunoscute.

Despre studiul actual

Cercetarea condusă de Maite Colinas, în colaborare cu echipa coordonată de Sarah O'Connor, a urmărit următoarele obiective:

• identificarea genelor implicate în biosinteza alcaloizilor ipecac;

• reconstrucția etapizată a căii biosintetice;

• compararea enzimelor utilizate de cele două specii pentru a evalua dacă evoluția acestui mecanism a avut loc independent.

Etape-cheie ale studiului

• Alcaloizii ipecac au fost detectați în toate organele vegetale, dar concentrațiile maxime au fost găsite în frunzele tinere și organele subterane;

• Compararea țesuturilor bogate și sărace în alcaloizi a permis identificarea genelor candidate;

• Aceste gene au fost validate prin expresie în plante model și prin analiza produselor biosintetice rezultate.

Descoperiri neașteptate

• Primul pas al biosintezei are loc spontan, fără cataliză enzimatică – o raritate în metabolismul secundar;

• O enzimă cu rol în clivajul zaharurilor, implicată în biosinteză, are o structură tridimensională complet diferită de alte enzime similare, sugerând o origine evolutivă atipică;

• Această enzimă este localizată în nucleu, în timp ce substratul său se află în vacuolă – o separare spațială care previne acumularea de compuși toxici în celulă, dar permite activarea rapidă a apărării dacă planta este atacată (de exemplu, de omizi).

Rezultate

Analiza comparativă a enzimelor implicate arată că:

• Ambele specii folosesc căi biosintetice similare, dar bazate pe enzime diferite;

• Evoluția acestor căi a avut loc independent în cele două linii filogenetice – un caz clar de convergență evolutivă;

• Protoemetina, precursorul principal, a fost sintetizată complet în laborator, dar etapele finale ale sintezei (cefaelina și emetina) rămân neelucidate.

Această realizare este un pas esențial spre producerea controlată a acestor substanțe, cu potențial de extindere spre alte compuși rari precum tubulosina din Alangium, cunoscută pentru posibile efecte farmacologice, dar studiată insuficient din cauza abundenței reduse în plantă.

Implicații și perspective

Studiul are multiple implicații:

• Evolutive: confirmă că plantele pot ajunge la aceleași soluții chimice pe căi complet diferite;

• Biotehnologice: deschide calea pentru producția sintetică sau semisintetică a alcaloizilor ipecac, cu aplicabilitate farmaceutică;

• Ecologice: întărește conceptul de mecanisme de apărare activabile, în care compușii toxici sunt generați doar la nevoie;

• Farmacologice: susține explorarea unor alcaloizi secundari (ex. tubulosina) cu potențial terapeutic, odată ce metodele de biosinteză vor permite obținerea lor în cantități relevante.

Concluzii

Elucidarea căii biosintetice a alcaloizilor ipecac în două specii evolutiv îndepărtate reprezintă o descoperire majoră în domeniul ecologiei chimice, al biosintezei produselor naturale și al biologiei evolutive. Acest caz de convergență moleculară oferă un model valoros pentru înțelegerea modului în care plantele dezvoltă strategii chimice similare pentru funcții ecologice comune și poate deschide noi direcții în dezvoltarea medicamentelor pe bază de alcaloizi vegetali.