胡椒碱生物合成相关基因的筛选。a为RNA Seq数据方法选择的不同黑胡椒器官的图示。b果实发育100天的胡椒积累。第一阶段（20-30天）和第二阶段（40-60天）用（浅）绿色方框标记。每一个点都标记了某一时间从不同的铲子上摘下的单个水果的胡椒碱含量。c顶部差异表达基因的热图和功能注释。每个统计比较的3000个最显著差异表达基因（错误发现率（FDR） < 0.2，|LFC| > 1）被用作HOPACH混合聚类的输入。对“一级”聚类和过度代表类别（FDR）进行基因集分析 < 0.001）。在三个生物复制中从单个器官生成RNA序列数据。学分：通信生物学（2021）。DOI:10.1038/s42003-021-01967-9
据美国物理学家组织网（by Sylvia Pieplow, Institut für Pflanzenbiochemie）：无论如何，植物是如何制造这些刺激性物质的？莱布尼茨植物生物化学研究所（IPB）正致力于这一课题。最近，由托马斯·沃格特博士领导的一组科学家发现了一种关键的酶，这种酶使胡椒植物（黑胡椒）的果实具有独特的辛辣味道。
所讨论的酶，胡椒碱合酶，催化合成刺鼻胡椒碱的最后一步。现在，生物化学家们又推出了第二种刺激性化合物，进一步揭示了胡椒中胡椒素（胡椒专用）是如何生物合成的。他的研究小组首次描述了长期寻求的胡椒素合成酶的酶活性。当植物产生胡椒素时，这种酶催化最后的反应步骤。
当胡椒碱和胡椒素与舌头和粘膜接触时，它们与同样对热、酸或伤害产生反应的确切受体结合。然后，这种受体在某些神经细胞中触发刺激，人类认为这种刺激是辛辣的。胡椒素和胡椒碱也具有抗菌、消化和循环作用。
因此，除了给菜肴调味之外，它们还具有相当大的前景，可以作为医疗应用的活性成分。IPB苯基丙烷代谢研究小组负责人托马斯·沃格特解释说：“最近的文献包括数百项关于胡椒和胡椒提取物的生物效应的研究，但很少涉及这些刺激性物质实际上是如何生物合成的。”。
一个原因可能是阐明植物生物合成途径所需的专业知识的特殊组合，除了少数研究机构外，很少有证据。理想情况下，化学家、生物化学家和生物信息学家联合起来，集中精力研究生产一种备受追捧的物质所需的几种候选酶。事实上，在某些植物物种中，许多基因和酶仍然是未知的，这使得对酶的研究更加复杂。
“我的意思是，”托马斯·沃格特说，“你没有太多的余地去查阅数据库。”
谈到胡椒，以及数据的缺乏，其他问题也随之出现。例如，哈雷的科学家们首先要种植胡椒，然后，无论如何，确保它们结出果实。这位生物化学家解释说：“这不是胡椒的功劳，胡椒生长在温室里，但研究所的园丁们成功了。”
在成功培育了这些植物之后，研究团队可以在三个月的时间里收获不同成熟期的胡椒浆果，并密切观察其胡椒碱含量是如何稳步增加的。根据科学家的说法，成熟的浆果还应含有形成胡椒碱的酶。相反地，植物的叶子不应该含有生物合成的胡椒碱酶，因为它们不产生胡椒碱，因此味道不辣。
科学家利用了胡椒碱含量的这些差异，即当胡椒碱生物合成酶分别存在和不存在时。他们假设只有当酶的基因被激活和读取时，酶才会存在于某些组织中，并比较了不同成熟期（成熟期）叶片和果实中的基因活性。
这样做为他们识别那些在未成熟水果中特别活跃的基因铺平了道路，包括胡椒碱合成酶的特定基因。该基因随后被引入微生物中，作为细菌产生胡椒碱合成酶的模板。所有这些都让来自哈勒的胡椒专家毫无疑问地证明，分离的酶催化两种起始物质哌啶酰辅酶A和哌啶的融合形成哌啶。
因此，人们对胡椒碱合成酶的研究得到了证实。
但发现胡椒素合成酶的任务带来了其他问题。在这里，尽管编码基因已经被识别，但从未有科学家成功地从细菌中生产出具有酶活性的蛋白质。换句话说，正在研究的基因是胡椒素合成酶的确凿证据仍悬而未决。
尽管如此，Halle的植物研究人员在研究相对类似的胡椒酶以分离胡椒素合成酶的同时，利用了他们的专业知识，并在最终的活性测试中证明，它确实催化了两种起始物质8-甲基-6-壬酰基-CoA和香草醛胺与胡椒素的长期假设反应。
胡椒碱和胡椒素合酶活性的最终证明得以实现，部分原因是该研究所的合成化学家能够自行生产所有原料，尽管这些原料尚未可供购买，并在酶测试期间按要求使用。
随着胡椒碱生物合成和胡椒素生物合成的主要反应步骤现已阐明，在某一点上充分理解这两种生物合成途径的前景仍然存在。但为什么这会改变游戏规则？一旦你了解了生物合成过程中涉及的所有酶，你就可以将合适的基因引入微生物，让它们产生所需的活性成分。
“然而，对于胡椒来说，这在经济上是没有意义的，”托马斯·沃格特说，“因为胡椒浆果中胡椒碱的浓度如此之高，因此很容易将其分离出来，例如用于药用。”
尽管如此，IPB的科学家发现，阐明生物合成途径的任务是有益的，因为新发现的酶催化有趣的反应，产生具有复杂结构的反应产物。生物化学家可以对这些酶进行修饰，以产生具有所需财产的全新酶。
一旦优化，这些酶就被用于在试管中合成新的和潜在有效的物质。这种类型的生物催化合成，即在试管中模拟和优化原始植物生物合成，作为一个相对年轻的研究领域，具有丰富的潜力。作为石化合成的替代品，生物催化可以产生所需的物质，而不需要使用任何有毒的催化剂和溶剂，也不会产生有害的副产物。
这项工作基于发表在《通讯生物学与分子》上的文章。
