Bioquímicos de la Universidad de York, en colaboración con socios internacionales, han completado la vía enzimática que utilizan las plantas de tabaco para ensamblar nicotina a partir de componentes químicos simples. El descubrimiento resuelve un enigma biológico que se mantiene desde que los químicos extrajeron por primera vez nicotina del follaje de tabaco en 1828.
Los hallazgos aclaran los mecanismos genéticos y bioquímicos responsables de producir este alcaloide adictivo. Más allá de sus implicaciones para el cultivo agrícola de tabaco, la investigación proporciona herramientas moleculares para eliminar la nicotina de especies de tabaco utilizadas como plataformas de producción de productos farmacéuticos, vacunas y proteínas de diagnóstico.
«¡Es un gran momento para la ciencia vegetal y la bioquímica, ya que ahora tenemos la respuesta que hemos buscado durante más de 200 años!», declaró el Dr. Benjamin Lichman, del Centro de Productos Agrícolas Innovadores de la Universidad de York.
La búsqueda de dos siglos de la biosíntesis de nicotina
La nicotina funciona principalmente como un mecanismo de defensa alcaloide en estado silvestre. Las plantas de tabaco producen el compuesto en sus raíces y lo transportan a sus hojas para disuadir a insectos herbívoros y animales de pastoreo. Cuando la consumen los seres humanos, la molécula se une directamente a los receptores nicotínicos de acetilcolina del sistema nervioso, actuando como estimulante y provocando dependencia física.
Durante décadas, los investigadores comprendieron los precursores químicos básicos necesarios para la formación de nicotina. Los análisis estructurales confirmaron que la molécula consta de dos anillos heterocíclicos distintos unidos por un único enlace carbono-carbono:
- Un anillo de piridina: Derivado del ácido nicotínico (una forma de vitamina B3).
- Un anillo de pirrolidina: Formado a partir del catión N-metilpirrolinio derivado de aminoácidos.
A pesar de conocer los materiales de origen, los científicos no pudieron identificar la maquinaria catalítica responsable de unir los dos anillos. Los intentos de observar la condensación directa de estas moléculas en entornos de laboratorio fracasaban repetidamente porque el ácido nicotínico permanece químicamente estable en condiciones biológicas estándar. Sin una etapa de activación, la barrera energética para unir los anillos seguía siendo demasiado alta para que las enzimas vegetales conocidas pudieran llevar a cabo la reacción.
El mecanismo: glucosilación activadora críptica
El equipo de la Universidad de York descubrió que la planta de tabaco sortea esta barrera química mediante un intermediario inesperado: la glucosa. La planta une temporalmente una molécula de azúcar de glucosa al ácido nicotínico, desestabilizando el compuesto y reduciendo la energía de activación necesaria para las reacciones enzimáticas posteriores.
Esta estrategia biológica, denominada glucosilación activadora críptica, actúa como un marcador molecular temporal. Una vez que la glucosa activa el precursor, otras enzimas acoplan el anillo al N-metilpirrolinio. Tan pronto como se forma el enlace estructural, otra enzima separa el azúcar del complejo, dejando una molécula de nicotina terminada.
Como la molécula de glucosa se desprende antes de que el producto final salga del conjunto enzimático, no dejó ninguna huella química en el alcaloide terminado. Esta naturaleza transitoria explica por qué generaciones de químicos analíticos no lograron aislar las etapas intermedias de la vía.
«El enigma de cómo las plantas de tabaco producen nicotina existe desde finales de la década de 1820, cuando la nicotina se extrajo por primera vez de las plantas», afirmó Lichman. «Con este nuevo conocimiento podemos eliminar o reutilizar la nicotina que produce naturalmente la planta y crear mejores herramientas biotecnológicas; además, existe un potencial emocionante para adaptar en el futuro el sistema de formación de nicotina del tabaco y producir compuestos farmacéuticos útiles».
La cascada de cuatro enzimas
Para verificar la secuencia de reacción, el equipo de investigación aisló y purificó cuatro enzimas distintas de tejidos de tabaco, reconstituyendo toda la vía metabólica fuera de la célula viva.
| Enzima | Función bioquímica | Función en la vía |
|---|---|---|
| NaGT | Glucosiltransferasa | Une glucosa al ácido nicotínico para crear un intermediario activado. |
| NaGR | Reductasa | Transfiere átomos de hidrógeno para reducir la molécula precursora activada. |
| NicGS | Sintasa de acoplamiento | Ejerce control estereoquímico, produciendo nicotina (S) biológicamente activa. |
| NicGH | Glucosidasa / hidrolasa | Hidroliza y elimina la etiqueta temporal de glucosa, produciendo nicotina pura. |
Mediante cristalografía de rayos X de alta resolución, el primer autor Benjamin Schwabe resolvió las estructuras tridimensionales de NaGR y NicGS a resolución atómica. Los modelos estructurales revelaron que NicGS orienta físicamente los intermediarios de reacción dentro de su bolsillo de unión para dirigir la configuración espacial del enlace final.
Este control estructural es biológicamente decisivo. Las moléculas biológicas suelen existir como enantiómeros quirales: versiones especulares de la misma fórmula química. Las plantas de tabaco producen casi exclusivamente nicotina (S), el isómero óptico que se une eficazmente a los receptores neurológicos de los mamíferos. Cuando los investigadores probaron la vía sin NicGS, el sistema produjo una mezcla racémica no controlada de isómeros levógiros y dextrógiros, lo que demostró que NicGS determina la precisión estereoquímica del tabaco natural.
Verificación en sistemas de plantas vivas
Tras la síntesis de laboratorio libre de células, los investigadores validaron la vía enzimática dentro de tejido vegetal vivo. Introdujeron los genes que codifican las cuatro enzimas en Nicotiana benthamiana, un pariente silvestre australiano del tabaco ampliamente utilizado en investigación agrícola y farmacéutica.
Las plantas modificadas produjeron moléculas de nicotina marcadas que reproducían los perfiles naturales de las plantas. Además, al desactivar genes individuales dentro de la cascada, los investigadores verificaron cada etapa:
- La supresión de NicGH provocó que las plantas acumularan precursores de nicotina estables unidos a glucosa sin producir nicotina libre.
- La omisión de NicGS alteró la estereoespecificidad de la vía, verificando su función reguladora en entornos celulares vivos.
Mejora de las plataformas de tabaco para la agricultura molecular
La identificación de estas cuatro enzimas tiene una utilidad directa para la biofabricación moderna. Aunque el tabaco comercial sigue siendo sinónimo de cigarrillos, los biólogos vegetales utilizan con frecuencia especies de tabaco para la agricultura molecular: emplean tejidos vegetales de rápido crecimiento como biorreactores para sintetizar proteínas médicas, anticuerpos monoclonales y antígenos de vacunas.
Nicotiana benthamiana es una especie preferida en la agricultura molecular porque produce grandes volúmenes de biomasa en cuestión de semanas y acepta fácilmente vectores de expresión transitoria. Sin embargo, la producción natural de nicotina supone un obstáculo persistente para la fabricación. El alcaloide es tóxico para los seres humanos en concentraciones farmacéuticas y se copurifica con las proteínas objetivo, lo que requiere costosos procesos de filtración en múltiples etapas para aislar las moléculas terapéuticas.
«Las plantas de tabaco pueden utilizarse en biotecnología como plataformas para producir vacunas u otros productos farmacéuticos, pero se ven afectadas por la presencia de nicotina, que contamina los productos y requiere procesamiento para eliminarla», explicó Lichman.
Mediante herramientas de edición genética dirigida como CRISPR para desactivar los genes que codifican NaGT o NicGS, los científicos agrícolas pueden desarrollar líneas de tabaco sin nicotina. Estas plantas conservan su rápido crecimiento vegetativo y su capacidad de síntesis de proteínas, al tiempo que eliminan por completo la contaminación por alcaloides, reduciendo los costes de fabricación de tratamientos terapéuticos derivados de plantas.
Ingeniería de nuevos alcaloides farmacéuticos
El descubrimiento también establece un marco enzimático para sintetizar compuestos medicinales no adictivos. La naturaleza modular del sistema de cuatro enzimas permite a los investigadores introducir moléculas precursoras alternativas en la cascada.
En ensayos de prueba de concepto, el equipo de investigación demostró que la sustitución por análogos precursores permitió a las enzimas producir alcaloides relacionados, entre ellos nornicotina y anabasina. Dado que muchos alcaloides derivados de plantas sirven como estructuras base para fármacos del sistema nervioso central, terapias contra el dolor e insecticidas, adaptar este mecanismo enzimático ofrece un método limpio para producir compuestos químicos complejos sin síntesis industrial a altas temperaturas.
«Abre nuevas formas de utilizar las plantas de tabaco para fines positivos: no en cigarrillos, sino para medicamentos y otros productos valiosos», afirmó Lichman.
- Los resultados de la investigación están disponibles en línea en la revista Nature Communications.
