Ved at kopiere bakterielle enzymer, laboratoriet lærer hurtigt at syntetisere ny klasse af antibiotiske molekyler rent, effektivt

Den aktive komponent i vidundermedicinet penicillin og beslægtede antibiotika, såsom cephalosporiner, er en "fortryllet ring, "kaldet β-lactam-ringen. Antibiotika, der inkluderer disse ringe, er uden tvivl de vigtigste lægemidler i menneskets historie, på egen hånd øget den globale levealder med anslået fem år.

"Folk siger ofte, at vi er ved at løbe tør for antibiotika, men der er mere end 20, 000 molekyler med antibiotisk aktivitet i Handbook of Antibiotics, "sagde Timothy Wencewicz, en kemiker ved Washington University i St. Louis, der har specialiseret sig i design af antibiotika.

"Færre end 1 procent af dem er nogensinde blevet betragtet som en potentiel klinisk kandidat. De svinder, fordi det tager så meget tid og omhu at forberede et molekyle til brug som et lægemiddel.

Wencewicz valgte omhyggeligt et af disse molekyler, obafluorin, til videre undersøgelse. Oblafluorin, opdaget i 1984 af Squibb Institute, fremstilles af en fluorescerende stamme af jordbakterier, der danner biofilm på planterødder.

Ligesom penicillin, obafluorin har en fireleddet ring. En fireleddet ring belaster de bindingsvinkler, som carbon foretrækker at anvende, forklarer Wencewicz. "Stammen gør disse ringe til molekylære bomber, der går af, når de sættes på det rigtige sted på det rigtige tidspunkt, som er nyttig til at dræbe mikrober, " han sagde.

Men fordi en fireledsring er ustabil, disse molekyler er også korte og svære at lave. Det tog år for kemikere at lære at syntetisere penicillin fra kemikalier og derefter finde ud af, hvordan svampe gør det. Antibiotikummet fremstilles stadig ved at fermentere en penicillinudstrømmende svampestamme i kæmpe rustfrit stålkar.

Wencewicz -laboratoriet var i stand til at springe hele processen, ved at bruge genetik til at nulstille det biosyntetiske maskineri, som bakterier bruger til at fremstille obafluorin og derefter til at rekonstruere det flertrins, enzymkatalyseret proces i laboratoriet.

Wencewicz, kandidatstuderende Mars Reck og Jason Schaffer, og bachelor Neha Prasad beskriver det komplette biosyntetiske maskineri til samling af ß-lacton-obafluorin i 15. maj-udgaven af Naturens kemiske biologi .

Ss-lactonerne hæmmer en stor klasse enzymer kaldet serinhydrolaser. "Der er hundredvis af kendte serinhydrolaser, og de er impliceret i mange menneskelige sygdomme, "Sagde Wencewicz. Ss-lactonerne kan vise sig nyttige i behandlingen af ​​kræft og fedme, samt smitsomme sygdomme.

En mørk vej bragt frem i lyset

Obafluorin er et peptid, en kort kæde af forbundne aminosyrer. De fleste peptider produceres af en cellulær maskine kaldet ribosomet, som fremstiller en række forskellige peptider. Obafluorin, imidlertid, samles ikke af ribosomet, men af ​​ikke-ribosomalt peptidsyntetase (NRPS), et flerdelt enzym, der kun syntetiserer én type peptid.

Ribosomerne gør de lange peptider kaldet proteiner, der er afgørende for livet, Sagde Wencewicz. Ribosomer har udviklet sig over millioner af år til at være utrolig effektive og præcise, han tilføjede, men de bruger et begrænset sæt af aminosyre byggesten.

Antibiotika og andre sekundære metabolitter, der er nyttige, men ikke afgørende for livet, samles mere eller mindre efter behov af NRPS samlebånd. Disse NRPS'er er i stand til at forbinde tusinder af forskellige aminosyre byggesten til dannelse af strukturelt forskellige små peptider med vigtig biologisk aktivitet.

NRPS'er er i det væsentlige en række enzymer, der er slået sammen til et stort protein med mange domæner, som hver udfører et trin i peptidsamling. "De er snarere som Henry Ford samlebånd, "Sagde Wencewicz.

Wencewicz -laboratoriet identificerede genklyngen i Pseudomonas fluorescerende, der gør NRPS og lavede de fem enzymer, generne koder.

Det femte enzym viste sig at være særligt interessant. Det er en usædvanlig thioesterase, der er ansvarlig for ß-lactonringdannelse, når peptidet frigives fra NRPS. I modsætning til andre thioesteraseenzymer, obafluorintioesterasen indbefatter en sjælden katalytisk aminosyre, der genererer et reaktivt thioester -mellemprodukt. Denne usædvanlige kemi gør det muligt for NRPS at overvinde energibarrieren, der ellers forhindrer dannelsen af ​​en anstrengt ring.

Mange flere ringe kommer

"Vi har nu en komplet enzymatisk platform til fremstilling af ß-lactonpeptider af enkle udgangsmaterialer, "Wencewicz sagde." Da vi kender de gensekvenser, der koder for denne samlebånd, vi bruger magten i moderne genom-sekventering til at søge efter og lave nye ß-lactoner fremstillet af andre organismer. "

Enhver, der kender den lange og frustrerende kamp om at producere nok penicillin til at hjælpe sårede soldater under Anden Verdenskrig, kan kun undre sig over de betagende fremskridt inden for genetik og kemi, der har gjort det muligt for Wencewicz -laboratoriet at kollapse arbejdet i mange årtier på få år.