Como cientistas mapearam a via da nicotina no tabaco após mais de 200 anos

Há anos, plantas de tabaco vêm sendo usadas como pequenas fábricas farmacêuticas. Em ambiente de laboratório, cientistas as cultivam, estimulam a produção de vacinas e anticorpos e, depois, colhem essas moléculas.

O problema é que cada lote já nasce acompanhado de nicotina - exatamente o tipo de composto indesejado quando o objetivo é obter um medicamento sem contaminantes.

A solução mais direta seria desligar a rota bioquímica que leva à nicotina. Só que, para isso, era indispensável saber quais genes, com precisão, comandavam o processo.

Por quase 200 anos, uma etapa “camuflada” manteve a via incompleta e confundiu sucessivas gerações de pesquisadores.

Um enigma que resistiu

Em 1828, dois químicos alemães - Posselt e Reimann - isolaram a primeira amostra de nicotina pura a partir de folhas de tabaco, deram nome à molécula e descreveram seus efeitos. Ainda assim, faltava explicar como a planta era capaz de fabricá-la.

Desde então, o desafio atravessou gerações. Em 1990, um grupo conseguiu reproduzir a reação completa em um tubo de ensaio usando um conjunto enzimático bruto, mas os componentes decisivos permaneceram ocultos.

Esse cenário mudou neste mês. O Dr. Benjamin Lichman, do Centre for Novel Agricultural Products, na University of York, liderou o estudo em parceria com pesquisadores da University of Copenhagen, seguindo passo a passo a rota de produção até fechar o quebra-cabeça.

“É um grande momento para a ciência de plantas e para a bioquímica, pois agora temos a resposta que perseguimos por mais de 200 anos!”, disse Lichman.

O açúcar que desaparece

A razão de o mistério ter durado tanto tempo está em uma estratégia química da própria planta. O tabaco usa um açúcar para “esconder” uma etapa crucial.

Ao montar a nicotina, a planta primeiro liga uma molécula de glicose a um dos blocos químicos iniciais.

Tudo indica que essa glicose funciona como um tipo de ativador: ela aumenta a reatividade desses blocos, permitindo que eles se conectem e formem o anel característico da nicotina.

No fim do processo, porém, a planta remove a glicose. O açúcar simplesmente some da molécula final, sem deixar vestígios.

Por isso, muitos trabalhos anteriores acabaram perseguindo compostos intermediários que pareciam promissores, mas eram, na prática, becos sem saída.

Dois anéis, uma molécula

A nicotina é formada pela união de dois anéis químicos.

Cada anel vem de uma parte diferente do metabolismo da planta. Isoladamente, nenhum deles se parece com nicotina.

O ponto decisivo é justamente a conexão entre esses dois anéis. No tabaco, a nicotina atua como inseticida natural, tornando as folhas tóxicas para lagartas e outros insetos que se alimentam de folhas.

Os seres humanos, por sua vez, encontraram outros usos para a planta. Em um estudo, sementes carbonizadas encontradas em uma lareira no estado de Utah recuaram a evidência mais antiga de uso de tabaco para cerca de 12.300 anos.

Por dentro da linha de montagem

A equipe de Lichman identificou quatro enzimas que atuam em conjunto nas raízes da planta.

Uma delas adiciona a glicose ao ácido nicotínico. Outra reorganiza os blocos químicos para preparar a reação de união dos anéis.

A terceira enzima - batizada pelo grupo como NicGS - é a peça central: ela conecta os dois anéis e “trava” a molécula na mesma configuração que o tabaco produz naturalmente. A quarta enzima, por fim, remove o açúcar.

Benjamin Schwabe, doutorando em York e primeiro autor do artigo, aplicou imagens de raios X em alta resolução para registrar essas enzimas no meio da reação.

As imagens indicam que a NicGS fica posicionada para arrancar um átomo de hidrogênio da molécula - aparentemente flagrada em pleno ato.

Confirmando a descoberta em plantas

Reações observadas apenas em tubo de ensaio podem enganar. Para validar a rota, o grupo reconstruiu o caminho de quatro enzimas dentro das folhas de Nicotiana benthamiana - uma parente do tabaco cujas folhas não produzem nicotina em condições normais.

Os pesquisadores forneceram às folhas um material inicial marcado quimicamente e acompanharam sua passagem pelo sistema engenheirado. O resultado foi nicotina marcada, exatamente na forma que o tabaco verdadeiro fabrica.

Quando qualquer uma das quatro enzimas é retirada, a via para ou passa a funcionar de maneira imprecisa. Em vez de um composto único e “limpo”, surge uma mistura de formas diferentes.

Engenharia de plantas de tabaco

A própria Nicotiana benthamiana já é um organismo-chave na agricultura molecular.

Uma revisão recente descreve como essa plataforma usa plantas para produzir vacinas e anticorpos em escala.

Só que, no processo, cada lote acaba acumulando nicotina. Removê-la depois eleva custos e adiciona complexidade a tudo o que sai dessas plantas.

Com os quatro genes responsáveis agora identificados, pesquisadores passam a ter meios de desligar a rota da nicotina na origem.

O raciocínio também funciona no sentido inverso: ao fornecer materiais iniciais diferentes, a mesma cascata enzimática produziu compostos relacionados.

Os achados apontam caminhos para projetar plantas de tabaco capazes de gerar moléculas farmacêuticas sob demanda.

Implicações mais amplas do estudo

O grupo testou uma versão de cada enzima, mas o tabaco possui cópias muito semelhantes das quatro. É provável que essas variantes desempenhem a mesma função, embora isso ainda não tenha sido confirmado.

Além disso, algumas etapas dependem de reações que ocorrem espontaneamente, sem uma enzima conduzindo diretamente - um comportamento que pode não reproduzir com exatidão o que acontece em uma raiz viva.

Ainda assim, o que permaneceu desconhecido por quase dois séculos agora está mapeado.

Os pesquisadores identificaram o conjunto completo de genes e enzimas que o tabaco usa para produzir nicotina, incluindo a etapa oculta envolvendo glicose que mascarava a resposta.

Com isso, melhoristas podem criar linhagens de tabaco sem nicotina, evitando o crescimento atrofiado que prejudicou tentativas anteriores de eliminá-la por engenharia. Empresas de biotecnologia também podem “limpar” suas linhagens de produção já na fonte.

E a mesma lógica química - anexar um açúcar, realizar a reação, e removê-lo em seguida - pode estar escondendo etapas-chave em outras rotas vegetais ainda não solucionadas.