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Discovery and Engineering of the Cocaine Biosynthetic Pathway

托烷 化学 烟草 生物化学 莨菪碱 生物合成 立体化学 生物碱 代谢途径 异源表达 基因 重组DNA 茄科
作者
Yongjiang Wang,Jianping Huang,Tian Tian,Yijun Yan,Yin Chen,Jing Yang,Jianghua Chen,Yu‐Cheng Gu,Sheng‐Xiong Huang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (48): 22000-22007 被引量:31
标识
DOI:10.1021/jacs.2c09091
摘要

Cocaine, the archetypal tropane alkaloid from the plant genus Erythroxylum, has recently been used clinically as a topical anesthesia of the mucous membranes. Despite this, the key biosynthetic step of the requisite tropane skeleton (methylecgonone) from the identified intermediate 4-(1-methyl-2-pyrrolidinyl)-3-oxobutanoic acid (MPOA) has remained, until this point, unknown. Herein, we identify two missing enzymes (EnCYP81AN15 and EnMT4) necessary for the biosynthesis of the tropane skeleton in cocaine by transient expression of the candidate genes in Nicotiana benthamiana. Cytochrome P450 EnCYP81AN15 was observed to selectively mediate the oxidative cyclization of S-MPOA to yield the unstable intermediate ecgonone, which was then methylated to form optically active methylecgonone by methyltransferase EnMT4 in Erythroxylum novogranatense. The establishment of this pathway corrects the long-standing (but incorrect) biosynthetic hypothesis of MPOA methylation first and oxidative cyclization second. Notably, the de novo reconstruction of cocaine was realized in N. benthamiana with the two newly identified genes, as well as four already known ones. This study not only reports a near-complete biosynthetic pathway of cocaine and provides new insights into the metabolic networks of tropane alkaloids (cocaine and hyoscyamine) in plants but also enables the heterologous synthesis of tropane alkaloids in other (micro)organisms, entailing significant implications for pharmaceutical production.
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