香水化合物合成開關:萜類代謝途徑

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香水是許多女性的必需品,輕輕一噴足以改變整個人的氣氛,然而,也有不少男性加入噴香水一族。大多香水中添加了許多萜類化合物(terpenoids)的香料,而且它的芳香烴(aromatic hydrocarbons)比例愈大,其香味就愈明顯。

近日,美國索爾克研究所(Salk Institute)和普渡大學(Purdue University)的研究團隊發現植物的轉變會關閉萜類化合物的產生,該研究刊登於《Nature Plants》。

該研究團隊 Joseph P. Noel 教授指出,他們之前發現異戊烯磷酸激酶(isopentenyl phosphate kinases, IPKs)能經由 ATP 磷酸化再活化異戊烯基磷酸酯(isopentenyl phosphate, IP),最後形成主要代謝體異戊烯二磷酸(isopentenyl diphosphate, IPP)。簡單來說,IPKs 將惰性單磷酸鹽萜類化合物結構單元轉變為易於使用的二磷酸鹽結構單元。此外,IPP 則為類異戊二烯(isoprenoid)/萜類化合物生物合成所必須。

該研究中,他們則是發現 Nudix 超家族水解酶(superfamily hydrolases)亞群會使活性萜二磷酸鹽的 IPP 專一性去磷酸化,然後形成惰性單磷酸的 IP。接著,他們也藉由在菸草中過度表現的細菌磷酸羥戊酸脫羧酶(methylerythritol phosphate, MPD)增加可利用的代謝 IP,進而顯著提升單萜(monoterpene)和倍半萜(sesquiterpene)產量。再來,他們更發現,IP 代謝的變化會經由甲基赤蘚糖醇磷酸鹽(methylerythritol phosphate, MEP)路徑和甲羥戊酸(mevalonate, MVA)路徑,導致萜類物質產量的變化。此外,細菌 MPD 的過氧化物酶體(peroxisomal)異常定位,指引他們發現到了一個經由磷酸甲羥戊酸激酶(phosphomevalonate kinase, PMK)催化的反應路徑,揭示了典型MVA 路徑的一個隱藏的限流因素。

該研究團隊表示,該研究從根本上改變人類對植物萜類代謝調控機制的認知,並且提供重要的基礎知識,為萜類代謝途徑的未來開闢了新的目標。許多植物會生產該化合物,但數量卻很少。人類可能需要數百或數千種植物來獲得足夠的化合物,才能將其應用於香水或製藥產業等。然而,這一系列新的意外發現將導致人類能更快、更有效的方式獲得足夠數量的產品。

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參考資料:
1. Nature Plants, 2018; DOI: 10.1038/s41477-018-0220-z
2. https://www.salk.edu/news-release/a-switch-to-turn-fragrances-on-and-off/

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