دانشمندان پس از نزدیک به ۲۰۰ سال راز تولید نیکوتین در گیاه تنباکو را کشف کردند
برای حدود دو قرن، یکی از پرسش‌های مهم زیست‌شناسی گیاهی و شیمی طبیعی بدون پاسخ باقی مانده بود؛ گیاه تنباکو دقیقاً چگونه نیکوتین تولید می‌کند؟ دانشمندان سال‌ها از وجود نیکوتین، ویژگی اعتیادآور آن و نقش گسترده‌اش در سلامت عمومی آگاه بودند، اما جزئیات کامل مسیر زیستی ساخت این مولکول همچنان ناشناخته مانده بود.
اکنون گروهی از پژوهشگران با انتشار نتایج تحقیق خود در مجله نیچر کامیونیکیشنز، بخشی از این معمای قدیمی را حل کرده‌اند. یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که گیاه تنباکو برای ساخت نیکوتین از یک مرحله شیمیایی پنهان استفاده می‌کند که در آن یک مولکول قند به صورت موقت وارد فرآیند می‌شود و سپس پیش از تشکیل محصول نهایی حذف می‌گردد.
نقش غیرمنتظره گلوکز در ساخت نیکوتین
بررسی‌های جدید نشان می‌دهد که گیاه تنباکو در یکی از مراحل تولید نیکوتین، یک مولکول گلوکز را به یکی از پیش‌سازهای این ماده متصل می‌کند. این اتصال موقت باعث می‌شود واکنش شیمیایی مهمی که برای تشکیل نیکوتین ضروری است، امکان وقوع پیدا کند.
پس از انجام این واکنش، مولکول گلوکز از ساختار جدا می‌شود و در ترکیب نهایی نیکوتین حضور ندارد. به همین دلیل دانشمندان در تحقیقات گذشته موفق به شناسایی نقش آن نشده بودند.
پژوهشگران این پدیده را «گلیکوزیلاسیون فعال‌کننده پنهان» نامیده‌اند. در این فرآیند، مولکول قند مانند یک عامل کمکی عمل می‌کند؛ وظیفه خود را انجام می‌دهد و سپس از مسیر واکنش حذف می‌شود، بدون آنکه اثری در محصول نهایی باقی بگذارد.
چرا کشف راز تولید نیکوتین در گیاه تنباکو اهمیت دارد؟
شناخت کامل مسیر تولید نیکوتین تنها یک موفقیت علمی نیست، بلکه کاربردهای عملی نیز دارد. این یافته می‌تواند به اصلاح ژنتیکی یا پرورش ارقام جدید تنباکو با میزان نیکوتین کمتر یا بیشتر کمک کند.
علاوه بر این، پژوهشگران حوزه زیست‌فناوری گیاهی می‌توانند از آنزیم‌های شناسایی‌شده برای تولید ترکیبات مشابه در محیط آزمایشگاه استفاده کنند. این موضوع به‌ویژه در سامانه‌های تولید زیستی مبتنی بر گیاهان اهمیت دارد، زیرا وجود نیکوتین در برخی فرآیندهای صنعتی باعث پیچیده‌تر شدن مراحل خالص‌سازی محصولات می‌شود.
نیکوتین از چه اجزایی تشکیل شده است؟
از دیدگاه شیمیایی، نیکوتین از اتصال دو بخش اصلی تشکیل می‌شود. بخش نخست از اسید نیکوتینیک ساخته می‌شود که از نظر ساختاری با ویتامین ب۳ ارتباط دارد. بخش دوم از ترکیبی به نام ان-متیل‌پیرولینیوم منشأ می‌گیرد. برای تشکیل نیکوتین، این دو بخش باید به یکدیگر متصل شوند. انجام این اتصال نیازمند فعال شدن یکی از مولکول‌ها است تا واکنش‌پذیری کافی برای ایجاد پیوند شیمیایی را پیدا کند.
سال‌ها دانشمندان تصور می‌کردند دو پروتئین به نام‌های E622 و BBL در این مرحله نقش کلیدی دارند، اما مشخص نبود که این پروتئین‌ها دقیقاً چگونه عمل می‌کنند و هدف اصلی آن‌ها کدام مولکول است.
همچنین بخوانید: کشتی هوایی هیندنبورگ
سرنخی که از ژن‌های مجاور به دست آمد
نقطه عطف این تحقیق زمانی بود که پژوهشگران ناحیه ژنتیکی اطراف ژن E622 را بررسی کردند. آن‌ها مشاهده کردند که در نزدیکی این ژن، دو ژن دیگر قرار دارند که یکی مسئول اتصال گلوکز به مولکول‌های مختلف و دیگری مسئول جداسازی آن است.
در بسیاری از گیاهان، ژن‌هایی که در یک مسیر زیستی مشترک فعالیت می‌کنند، در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. همین موضوع پژوهشگران را به این فرضیه رساند که احتمالاً گلوکز در مرحله‌ای ناشناخته از تولید نیکوتین نقش دارد.
بر اساس این فرضیه، آن‌ها پیشنهاد کردند که پروتئین E622 به جای اثرگذاری مستقیم بر اسید نیکوتینیک، روی نسخه گلوکزیله‌شده آن عمل می‌کند.
بازسازی مسیر تولید نیکوتین در آزمایشگاه
برای بررسی این فرضیه، پژوهشگران کل مسیر زیستی را در شرایط آزمایشگاهی بازسازی کردند. آن‌ها چهار پروتئین اصلی را به همراه مواد اولیه مورد نیاز در یک سامانه کنترل‌شده قرار دادند.
در این فرآیند:
- پروتئین نخست گلوکز را به اسید نیکوتینیک متصل می‌کرد.
- پروتئین دوم مولکول حاصل را برای واکنش بعدی آماده می‌ساخت.
- پروتئین سوم اتصال صحیح اجزای نیکوتین را هدایت می‌کرد.
- پروتئین چهارم گلوکز را از ساختار جدا می‌کرد.
نتایج نشان داد تنها در حضور هر چهار پروتئین، تولید نیکوتین طبیعی امکان‌پذیر است. حذف هر یک از این اجزا باعث توقف واکنش یا تولید ترکیبات جانبی می‌شد.
تولید موفق نیکوتین طبیعی
دانشمندان در نهایت موفق شدند شکل طبیعی و غالب نیکوتین موسوم به (S)-Nicotine را تولید کنند. این همان نوعی از نیکوتین است که بخش عمده نیکوتین موجود در برگ‌های تنباکو را تشکیل می‌دهد.
آن‌ها سپس این آزمایش را در سلول‌های زنده گیاهی نیز تکرار کردند. برای این کار از گونه‌ای نزدیک به تنباکو استفاده شد که به‌طور طبیعی نیکوتین تولید نمی‌کند. نتایج به‌دست‌آمده با یافته‌های آزمایشگاهی مطابقت داشت و فرضیه پژوهشگران را تأیید کرد.
مشاهده مستقیم سازوکار مولکولی
برای اطمینان بیشتر از صحت نتایج، ساختار سه‌بعدی دو پروتئین کلیدی با استفاده از بلورنگاری پرتو ایکس بررسی شد.
تصاویر به دست آمده نشان دادند که این پروتئین‌ها مولکول‌های هدف را دقیقاً در موقعیتی قرار می‌دهند که انجام واکنش شیمیایی مورد نظر امکان‌پذیر شود. این مشاهده شواهد مستقیمی برای مدل پیشنهادی پژوهشگران فراهم کرد.
امکان تولید ترکیبات ارزشمند دیگر
یکی از نتایج جالب این مطالعه آن بود که با تغییر برخی مواد اولیه، سامانه چهارپروتئینی می‌تواند به جای نیکوتین، ترکیبات طبیعی دیگری را تولید کند که در خانواده گیاهان تنباکو یافت می‌شوند.
این ویژگی نشان می‌دهد که مسیر کشف‌شده تنها برای مطالعه نیکوتین اهمیت ندارد، بلکه می‌تواند به بستری برای تولید مولکول‌های ارزشمند دارویی، کشاورزی و صنعتی تبدیل شود.
نیکوتین چرا در گیاه تنباکو تولید می‌شود؟
برخلاف تصور رایج، نیکوتین برای گیاه تنباکو ماده‌ای دفاعی محسوب می‌شود. این ترکیب به عنوان یک سم طبیعی علیه بسیاری از حشرات گیاه‌خوار عمل می‌کند و احتمال آسیب دیدن برگ‌ها را کاهش می‌دهد.
مطالعات نشان داده‌اند که هنگام حمله حشرات، میزان تولید نیکوتین در ریشه‌های تنباکو افزایش پیدا می‌کند و سپس این ماده به برگ‌ها منتقل می‌شود تا نقش محافظتی خود را ایفا کند.
تولید نیکوتین در کدام بخش گیاه انجام می‌شود؟
بیشتر افراد تصور می‌کنند نیکوتین در برگ‌ها ساخته می‌شود، اما در واقع بخش عمده این ماده در ریشه‌های گیاه تنباکو تولید می‌شود. پس از ساخته شدن، نیکوتین از طریق آوندهای گیاه به سمت ساقه و برگ‌ها انتقال می‌یابد و در آنجا ذخیره می‌شود. این موضوع یکی از دلایلی بود که مطالعه مسیر زیستی نیکوتین را پیچیده‌تر می‌کرد، زیرا محل تولید و محل تجمع این ماده یکسان نیست.
پایان یک معمای ۲۰۰ ساله
نزدیک به ۲۰۰ سال پس از نخستین جداسازی نیکوتین از برگ تنباکو در سال ۱۸۲۸، دانشمندان سرانجام توانستند تمامی مراحل اصلی تولید این مولکول را شناسایی کنند. کشف نقش موقت گلوکز نشان داد که گاهی مهم‌ترین بخش یک واکنش شیمیایی در محصول نهایی دیده نمی‌شود و دقیقاً همین موضوع می‌تواند سال‌ها دانشمندان را از یافتن پاسخ بازدارد. این پژوهش یکی از قدیمی‌ترین پرسش‌های زیست‌شناسی گیاهی و راز تولید نیکوتین در گیاه تنباکو را حل کرده است.
منابع:
nature.com
shafaghnews.com
