Paclitakel je najprodavaniji lek protiv raka na biljnoj bazi u svetu i jedan od najefikasnijih lekova protiv raka u poslednjih 30 godina. Široko se koristi u lečenju različitih vrsta raka, uključujući rak dojke, rak pluća i rak jajnika.
Krajem 1990-ih i početkom 21. veka, godišnja prodaja paklitaksela premašila je 1,5 milijardi dolara i dostigla 2,0 milijardi dolara 2001. godine, što ga čini najprodavanijim lekom u 2001. godini. Tržište paklitaksela i njegovih derivata je 2019. bilo približno 15 milijardi dolara, a očekuje se da će dostići 20 milijardi dolara do 2025. godine.
Kao lek protiv raka, molekularna struktura paklitaksela je izuzetno složena, sa visoko oksidovanim, zamršenim premošćenim prstenovima i 11 stereocentra, što ga čini široko prepoznatim kao jedan od najizazovnijih prirodnih proizvoda za hemijsku sintezu. Od kada su istraživačke grupe Holton i Nicolaou prijavile prvu totalnu sintezu paklitaksela 1994. godine, više od 40 istraživačkih timova je bilo angažovano na ukupnoj sintezi paklitaksela.
Međutim, čak i u najkraćem putu hemijske sinteze do sada, ukupan prinos paklitaksela je samo 0,118%, što ne zadovoljava potražnju za industrijskom proizvodnjom. Trenutno, industrijska proizvodnja paklitaksela koristi polusintetičku strategiju: izolovanje prekursora paklitaksela (kao što je bakatin III) iz biljnih ćelijskih kultura ili listova Takusa i zatim ih pretvara u paklitaksel hemijskim metodama. Međutim, polusintetička strategija se u velikoj meri oslanja na prirodne resurse i ograničena je sporim rastom Takus ćelija ili listova, te stoga ne može zadovoljiti rastuću potražnju tržišta.
Sa brzim razvojem biotehnologije, strategije sintetičke biologije za mikrobnu biosintezu biljnih prirodnih proizvoda su se pojavile kao moćan pristup efikasnoj proizvodnji složenih biljnih prirodnih proizvoda.
Stoga je postizanje efikasne, ekološki prihvatljive i održive proizvodnje paklitaksela putem sintetičke biologije privuklo široku pažnju. Međutim, realizacija de novo sinteze paklitaksela u heterolognom sistemu zahteva identifikaciju ključnih enzima koji nedostaju u biosintetskom putu paklitaksela i uspostavljanje kompletnog biosintetskog puta za paklitaksel.
Da bi odgovorili na dugogodišnji izazov biosinteze paklitaksela u Takusu, dva istraživačka tima predvođena prof. Jianbin Ianom (Institut za poljoprivrednu genomiku u Šenženu, AGIS) i prof. Ksiaoguang Leiom (Pekinški univerzitet, PKU), kao i drugi istraživački timovi iz pet drugih različitih institucija, uključujući Univerzitet Tsinghua i UCLA, sarađivalo je zajedno kako bi uspešno identifikovali nedostajuće enzime i postigli rekonstituciju biosintetskih enzima koji dovode do bakatina III.
Istraživači su koristili sistem heterologne ekspresije duvana da bi izvršili skrining aktivnosti porodice gena CIP725A koja se nalazi posebno u Takus-u putem strategije ko-injektiranja supstrata. Uspešno su identifikovali biosintetski enzim pod nazivom taksan oksetanaza (TOT) koji katalizuje formiranje oksetanskog prstena tokom puta biosinteze taksola.
TOT katalizuje formiranje jedinstvenog oksetanskog prstena kroz oksidaciju C4,20 dvostruke veze i naknadno preuređenje susedne acetil grupe na poziciji C5, kao što je prikazano. formiranje u putu biosinteze taksola se postiže reakcijom preuređenja odgovarajućeg epoksida.
U međuvremenu, fokusirajući se na strukturno jednostavnije jedinjenje, taksusin, istraživači su identifikovali 17 gena kandidata koji kodiraju enzime odgovorne za C9 oksidaciju taksana koristeći analizu koekspresije i analizu metabolizma. Ovi kandidati geni su dalje podvrgnuti skriningu aktivnosti rekonstrukcijom biosintetskog puta taksusina u duvanu, što je dovelo do otkrića enzima odgovornog za oksidaciju C9 u taksanima, koji je nazvan taksan 9α hidroksilaza (T9αH).
Sa ova dva novoidentifikovana enzima TOT i T9αH u rukama, istraživači su pokušali da postignu potpunu biosintezu bakatina III u duvanu kroz njihovu koekspresiju sa drugim poznatim biosintetičkim genima taksola. Oni su uspešno otkrili proizvodnju bakatina III u duvanu kada su TOT i T9αH bili ko-eksprimirani sa drugih 7 poznatih biosintetskih gena (TKSS, T5αH, T13αH, T2αH, T7βH, TAT i TBT). Štaviše, oni su pokazali da su ovih devet gena ključni geni za biosintezu bakatina III jer je svaki gen neophodan za biosintezu bakatina III u duvanu.
Dalja biohemijska istraživanja su pokazala da ovi ključni geni pokazuju blisku funkcionalnu sinergiju i da su koregulisani biljnim hormonom jasmonatom, pokazujući slične obrasce indukcione ekspresije i jaku ekspresiju korelaciju. Kombinovanjem analize subcelularne lokalizacije i drugih eksperimentalnih rezultata, istraživači pružaju potpuni pregled biosintetskog procesa bakatina III.
Početni supstrat GGPP katalizira TKSS da bi se formirao taksadien u hloroplastima. Nakon toga, taksadien se prenosi u citoplazmu preko kontaktnih mesta plastid-endoplazmatskog retikuluma i podvrgava se usklađenoj katalizi od strane šest membranski vezanih oksidaza (T2αH, T5αH, T7βH, T9αH, T13αH i TOT) usidrenih u dva endoplazmatska retoplazilatika. transferaze (TAT i TBT), što na kraju dovodi do formiranja bakatina III.
Ukratko, ova studija, koja je nedavno objavljena u časopisu Science, kombinuje višestruku analizu omike i opsežnu funkcionalnu validaciju kako bi se uspešno identifikovali ključni enzimi koji nedostaju u biosintetskom putu paklitaksela. Otkriva novi mehanizam kojim biljne ćelije katalizuju formiranje oksetanskih prstenova i otkriva najkraći put za heterolognu biosintezu paklitaksela.
Ko-ekspresijom 9 osnovnih enzima u duvanu, istraživači postižu bioproizvodnju paklitaksela prekursora bakatina III, postavljajući temelje za proizvodnju paklitaksela velikih razmera i takođe obezbeđujući teorijske smernice za biosintetičke studije na stotine drugih prirodnih proizvoda taksana.
