尼古丁是茄科植物特有的高效抗蟲物質(zhì)，對精神類疾病具有藥用價值，但其生物合成最后一步是未解難題。

　　近日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心團隊在野生郊狼煙草中，利用信息論指導(dǎo)的跨尺度多維組學(xué)協(xié)同分析新技術(shù)，首次揭示了尼古丁合成路徑，并闡明了其中通過酶催化完成碳碳鍵連接的分子間曼尼希反應(yīng)的分子機制。該研究揭示了由五組分動態(tài)代謝通道介導(dǎo)的協(xié)同催化與運輸機制，破解了這一植物次生代謝與化學(xué)防御領(lǐng)域的難題。

　　團隊在野生煙草中發(fā)現(xiàn)一個尼古丁缺失突變體，并鎖定尼古丁吡啶環(huán)合成的關(guān)鍵基因。團隊進一步鑒定出一系列參與尼古丁最終合成的關(guān)鍵組分，包括糖基轉(zhuǎn)移酶、還原酶、類小檗堿橋酶、糖苷水解酶及MATE轉(zhuǎn)運蛋白。

　　研究發(fā)現(xiàn)，尼古丁最終合成由一個定位于液泡膜的五組分動態(tài)代謝通道協(xié)同實現(xiàn)。整個過程采用糖基化和去糖基化機制。煙酸通過糖基轉(zhuǎn)移酶進行氮原子的糖基化修飾，維持其陽離子狀態(tài)；隨后由還原酶進行還原并脫羧，對分子進行活化；通過一個由類小檗堿橋酶連續(xù)催化具有立體選擇性的分子間曼尼希反應(yīng)完成與另一個吡咯烷環(huán)的分子間縮合以及后續(xù)氧化反應(yīng)；最后經(jīng)葡萄糖苷水解酶進行去糖基化，生成手性純凈的尼古丁，并通過MATE轉(zhuǎn)運蛋白存儲于液泡中。這一代謝通道實現(xiàn)了中間產(chǎn)物高效傳遞，避免了有毒中間體積累，并防止了高濃度產(chǎn)物對合成途徑的反饋抑制，解決了植物自身防御中的“自毒困境”。

　　該研究補齊了尼古丁生物合成通路的關(guān)鍵拼圖，揭示了多酶協(xié)同催化的立體選擇性分子間曼尼希反應(yīng)機制；發(fā)現(xiàn)了尼古丁天然進化出一條高效“流水線”，既能引導(dǎo)尼古丁高效合成，又能直接將其高活性、手性純凈的產(chǎn)物轉(zhuǎn)運存儲于液泡中，規(guī)避中間體的細胞毒性以及尼古丁對自身合成的反饋抑制。同時，研究提出的合成與運輸偶聯(lián)的代謝通道范式，將為突破高價值天然產(chǎn)物生物合成效率瓶頸，提供新的理論依據(jù)與工程化策略。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《細胞》（Cell）上。研究工作得到科技創(chuàng)新2030-重大項目、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等的支持。

尼古丁完整合成通路