The biosynthetic pathway of the hallucinogen mescaline and its heterologous reconstruction

梅斯卡林 生物 异源的 计算生物学 致幻剂 生物技术 生物化学 药理学 基因
作者
Paula Berman,Luis Alejandro de Haro,Ana-Rita Cavaco,Sayantan Panda,Younghui Dong,N. N. Kuz’mich,Gabriel Lichtenstein,Yoav Peleg,Hila Harat,Adam Jóźwiak,Jianghua Cai,Uwe Heinig,Sagit Meir,Ilana Rogachev,Asaph Aharoni
出处
期刊:Molecular Plant [Elsevier]
卷期号:17 (7): 1129-1150
标识
DOI:10.1016/j.molp.2024.05.012
摘要

Mescaline, among the earliest identified natural hallucinogens, holds great potential in psychotherapy treatment. Nonetheless, despite the existence of a postulated biosynthetic pathway for more than half a century, the specific enzymes involved in this process are yet to be identified. In this study, we investigated the cactus Lophophora williamsii (Peyote), the largest known natural producer of the phenethylamine mescaline. We employed a multi-faceted approach, combining de novo whole-genome and transcriptome sequencing with comprehensive chemical profiling, enzymatic assays, molecular modeling, and pathway engineering for pathway elucidation. We identified four groups of enzymes responsible for the six catalytic steps in the mescaline biosynthetic pathway, and an N-methyltransferase enzyme that N-methylates all phenethylamine intermediates, likely modulating mescaline levels in Peyote. Finally, we reconstructed the mescaline biosynthetic pathway in both Nicotiana benthamiana plants and yeast cells, providing novel insights into several challenges hindering complete heterologous mescaline production. Taken together, our study opens up avenues for exploration of sustainable production approaches and responsible utilization of mescaline, safeguarding this valuable natural resource for future generations.
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