普渡大学农学院生物化学特聘教授 Natalia Dudareva 站在她的实验室里。Dudareva 领导的一组研究人员绘制了在牛至和百里香中发现的抗癌化合物的生物合成途径，为潜在的药物用途打开了大门。来源：普渡农业通讯照片/汤姆坎贝尔

百里香和牛至具有抑制肿瘤发展的抗癌化合物，但在番茄酱中添加更多不足以获得显着益处。释放这些植物力量的关键在于放大所产生的化合物的数量或合成用于药物开发的化合物。

普渡大学的研究人员通过绘制其生物合成途径（一种所需成分和步骤的分子配方），迈出了在药物中使用该化合物的第一步。

“这些植物含有重要的化合物，但含量非常低，提取不够，”普渡大学农学院生物化学特聘教授、该项目的共同领导者 Natalia Dudareva说。“通过了解这些化合物是如何形成的，我们开辟了一条途径来改造具有更高水平的植物或在微生物中合成用于医疗用途的化合物。

“现在对于植物科学来说是一个了不起的时刻。我们拥有更快、更便宜且提供更多洞察力的工具。就像在看牢房；这几乎令人难以置信。”

潘辽，普渡大学博士后研究员，在 Dudareva 实验室工作。Liao 是一篇描述百里酚、香芹酚和百里香酚生物合成的论文的第一作者；在一些草药中发现的具有药用特性的分子化合物。学分：普渡大学照片/汤姆坎贝尔

百里香酚、香芹酚和百里香对苯二酚是百里香、牛至和唇形科其他植物中的风味化合物。它们还具有抗菌、抗炎、抗氧化和其他有益于人体健康的特性。普渡大学植物生物学中心主任 Dudareva 说，百里酚氢醌已被证明具有抗癌特性，尤其令人感兴趣。

与来自德国马丁路德大学哈勒维滕贝格和密歇根州立大学的科学家合作，该团队发现了百里酚氢醌的整个生物合成途径，包括其前体百里酚和香芹酚的形成，以及沿途的短寿命中间体化合物。

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她说，这些发现改变了以前对这类化合物形成的看法，称为酚类或芳香族单萜，在其他植物中只发现了少数生物合成途径。这项工作在《美国国家科学院院刊》上发表的一篇论文中有详细介绍。

“这些发现为在植物和其他生物中设计高价值化合物提供了新的目标，”该论文的共同第一作者、Dudareva 实验室的博士后研究员 Pan Liao 说。“许多植物不仅具有药用价值，而且其中的化合物被用作食品添加剂、香水、化妆品和其他产品。”

既然这种途径是已知的，植物科学家就可以开发出能够产生更多有益化合物的栽培品种，或者可以将其掺入酵母等微生物中进行生产。他说，后一种方法涉及发酵过程以获得有价值的化合物，这对于许多植物性产品来说都是如此。

发酵过程对食品和饮料、制药和生物燃料生产非常重要，以至于普渡大学现在提供发酵科学专业。

美国国家科学基金会拨款 500 万美元支持这项研究。使用RNA测序和相关性分析，该团队从植物组织样本中筛选了 80,000 多个基因，并确定了生产百里酚氢醌所需的基因。基于对化合物结构的了解，并通过代谢物分析和生化测试，该团队确定了生物合成途径。

“路径中形成的中间体与预期的不同，”廖说。“我们发现，百里酚和香芹酚的芳香骨架是由 P450 单加氧酶与脱氢酶通过两种不稳定的中间体形成的 α-萜品烯形成的，而不是如所建议的那样。”

Dudareva 说，由于能够使用 RNA 测序进行高通量基因表达分析，现在正在发现更多的途径。

她说，这项研究的结果也将有助于其他植物物种的生物化学和植物科学研究。

“作为科学家，我们总是在比较不同系统和植物中的途径，”杜达雷瓦说。“我们一直在追求新的可能性。我们学得越多，就越能认识到可能成为下一个突破的关键的相似点和不同点。”

VMB1900A三目生物显微镜

参考文献：

“唇形科中百里酚、香芹酚和百里香酚的生物合成通过细胞色素 P450 和短链脱氢酶进行”，作者：Sandra T. Krause、Pan Liao、Christoph Crocoll、Benoît Boachon、Christiane Förster、Franziska Leidecker、Natalie Wiese、Dongyan Zhao、Joshua C. Wood、C. Robin Buell、Jonathan Gershenzon、Natalia Dudareva 和 Jörg Degenhardt，2021 年 12 月 20 日，美国国家科学院院刊。
DOI: 10.1073/pnas.2110092118

美国国家科学基金会植物基因组研究计划 (IOS 1444499) 和美国农业部国家粮食和农业研究所 (Hatch 项目编号 177845) 资助了这项研究。

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