尼古丁是茄科植物特有的强效杀虫生物碱，自1690年以来被用于农业杀虫剂，并被认为在阿尔茨海默病、帕金森病和抑郁症等神经系统疾病方面具有治疗潜力。尽管其在人类使用史、农业应用及植物进化研究中具有重要意义，尼古丁生物合成的最后步骤长期未被完全阐明。

《Cell》杂志近日发表的一项研究显示，中国科学院分子植物科学卓越创新中心李大鹏教授团队借助信息理论指导的多维组学策略，解析了野生烟草种类 Nicotiana attenuata 的完整尼古丁生物合成途径。研究指出，尼古丁合成末端的缩合反应及其后续转运由一个包含五个组分的动态代谢酶复合体协同调控，该复合体被描述为一种临时组装的“酶簇”，可在细胞内串联完成一系列化学反应。

研究团队首先在野生烟草中发现无尼古丁突变体ao2，并据此鉴定出NaAO2基因，研究认为该基因对尼古丁吡啶环的形成至关重要。随后，研究人员构建了整合基因组学、转录组学与非靶向结构代谢组学的多尺度共关联网络，覆盖群体、个体及单细胞层面，从中识别出参与尼古丁组装的多类关键组分，包括糖基转移酶、还原酶、类小檗桥酶、β-葡萄糖苷酶以及MATE转运蛋白。

在机制层面，研究提出植物通过“糖基化/脱糖基化”策略完成尼古丁中含氮五元与六元杂环的最终偶联。该过程涉及两个环状阳离子中间体：首先由UDP-糖基转移酶NaUGT1进行糖基化以实现稳定，随后由类异黄酮还原酶NaA622还原激活；之后通过立体选择性的分子间曼尼希反应发生缩合，并依次由类小檗桥酶NaBBL1/2氧化；最终由β-葡萄糖苷酶NaBGL1/2脱糖基化，生成手性纯净的尼古丁，并由MATE转运蛋白NaMATE1将其储存在液泡中。

研究还指出，上述“尼古丁合酶”式的反应流程由组装在液泡膜上的动态代谢酶复合体执行。研究认为，该复合体的组装有助于实现底物通道化，提高反应效率，并减少有毒中间体在细胞内积累，从而缓解植物防御体系中可能出现的“自毒性”问题。

研究团队表示，这项工作补全了尼古丁生物合成途径的全貌，并为分子间曼尼希反应在多种植物生物碱骨架形成中的基础机制提供了关键线索。研究同时提出，天然存在的多功能代谢酶复合体的发现为合成生物学提供了新的思路，有望用于实现具有确定立体化学的高价值天然产物规模化生产。