Für viele medizinisch interessante Stoffe ist die Biosynthese der vielfältigen natürlichen Pflanzenstoffe noch nicht aufgeklärt. In einer neuen Studie konnte ein internationales Forscherteam zeigen, wie Ipecacuanha-Alkaloide, Substanzen, die in der traditionellen Medizin verwendet werden, synthetisiert werden. Sie verglichen zwei entfernt verwandte Pflanzenarten und konnten zeigen, dass beide Pflanzenarten zwar einen vergleichbaren chemischen Ansatz nutzen, sich jedoch die für die Synthese benötigten Enzyme unterscheiden und ein unterschiedliches Ausgangsmaterial verwendet wird. Weitere Untersuchungen ergaben, dass sich die Biosynthesewege dieser komplexen chemischen Verbindungen in beiden Arten unabhängig voneinander entwickelt haben. Diese Ergebnisse tragen dazu bei, die Synthese dieser und verwandter Substanzen in größerem Maßstab für medizinische Zwecke zu ermöglichen.
Die Aufklärung des Biosynthesewegs von Ipecacuanha-Alkaloiden zeigt, wie zwei entfernt verwandte Pflanzenarten unabhängig voneinander dieselbe Substanz entwickeln können.
Pflanzen produzieren eine enorme Fülle an Naturprodukten. Viele pflanzliche Naturstoffe sind abstammungsspezifisch und kommen nur in bestimmten Pflanzenfamilien, manchmal auch nur in einer einzigen Art vor. Interessanterweise können dieselben Substanzen jedoch manchmal in entfernt verwandten Arten gefunden werden. In den meisten Fällen ist jedoch nur das Endprodukt bekannt und es ist weitgehend unklar, wie diese Stoffe in Pflanzen hergestellt werden. Ipecacuanha-Alkaloide kommen in zwei entfernt verwandten Pflanzenarten vor, die als Heilpflanzen bezeichnet werden: im Ipecac Carapichea ipecacuanha, der zur Familie der Enziangewächse gehört, und im salbeiblättrigen Alangium (Alangium salviifolium), das zur Familie der Hartriegelgewächse gehört und aus der ayurvedischen Medizin bekannt ist.
Frühere Studien hatten bereits gezeigt, dass beide Arten Ipecacuanha-Alkaloide produzieren. Insbesondere der Ipecac-Extrakt („Ipecac-Sirup“) war bis in die 1980er Jahre (insbesondere in Nordamerika) ein weit verbreitetes apothekenpflichtiges Medikament, das bei Vergiftungen zur Auslösung von Erbrechen eingesetzt wurde. Die wirksamen Brechmittel sind Cephaelin und Emetin, die beide aus der Vorstufe Protoemetin abgeleitet sind. Es war jedoch weitgehend unbekannt, wie sie diese herstellen. In nur zwei kleinen Studien wurden einige Enzyme in Ipecac identifiziert, die meisten Enzyme waren jedoch unbekannt und in Alangium waren überhaupt keine Enzyme bekannt.
Für Maite Colinas, Erstautorin der Studie und Projektgruppenleiterin in der Abteilung Naturstoffbiosynthese am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Jena, lauteten die zentralen Fragen: „Der letzte gemeinsame Vorfahre dieser Arten lebte vor mehr als 100 Millionen Jahren, daher haben wir die Hypothese aufgestellt, dass die beiden Arten unabhängig voneinander Wege zur Produktion von Ipecac-Alkaloiden entwickelt hatten.“ Eine Schlüsselfrage war, ob sie die gleichen oder unterschiedliche Wege zur Herstellung dieser Verbindungen gefunden hatten, sowohl chemisch als auch enzymatisch.“
Zunächst stellte das Team fest, dass Ipecac-Alkaloide in gewissem Umfang in allen Pflanzengeweben beider Arten vorhanden sind, in jungen Blattgeweben und in unterirdischen Pflanzenorganen jedoch weitaus höhere Mengen vorkommen. Durch den Vergleich von Geweben mit hohen und niedrigen Konzentrationen an Ipecac-Alkaloiden wurden Gene identifiziert, die an der Biosynthese beteiligt sein könnten. Weitere Tests und die genetische Transformation einer Modellpflanze ermöglichten die schrittweise Rekonstruktion des Biosyntheseweges bei beiden Arten. Der Weg hielt einige Überraschungen bereit; Anders als erwartet scheint der erste Schritt der Biosynthese nicht durch ein Enzym gesteuert zu werden, sondern erfolgt spontan. Eine weitere Überraschung war die Beteiligung eines ungewöhnlichen Enzyms. Seine dreidimensionale Struktur unterschied sich völlig von allen anderen Enzymen, die dieselbe Reaktion, nämlich die Spaltung eines Zuckermoleküls, katalysieren. „Diese Enzymklasse ist normalerweise nicht an der Herstellung von Naturstoffen beteiligt.“
