Usædvanlig biosyntetisk vej tilbyder en nøgle til fremtidig naturlig produktopdagelse

Bakterier er ingeniører i små, biologisk nyttige molekyler. En ny undersøgelse i Naturkommunikation har afsløret et af tricksene i denne mikrobielle handel:syntetisere og derefter senere indsætte en nitrogen-nitrogenbinding, som en præfabrikeret del, til et større molekyle.

Opdagelsen blev gjort af en samarbejdsgruppe af kemikere ved University of Illinois og Harvard University. Sammen, de bekræftede, at to ellers ikke -relaterede bakterieproducerede forbindelser delte et usædvanligt sæt trin i deres biosyntetiske veje. At dechifrere denne type biokemisk proces vil hjælpe i søgen efter andre nyttige biologiske forbindelser.

"Det er et molekylært håndtag eller et genetisk håndtag, hvis du nu vil gå efter andre nye molekyler, som folk ikke har fundet før, "sagde Wilfred van der Donk, Richard E. Heckert begavet formand i kemi og efterforsker ved Howard Hughes Medical Institute. "Så vi er ret begejstrede både over, hvad der står i avisen, og også hvad det giver os mulighed for at gøre fremover."

Naturlige produkter, stoffer produceret af levende ting, har givet os antibiotika, svampedræbende midler, kræftbehandling, og andre vigtige farmaceutiske og industrielle forbindelser; fortsat udforskning af mikrobernes mangfoldige kemiske verden er et af vores bedste håb om fremtidig opdagelse af lægemidler. Et stort fokus for van der Donks forskning er søgen efter at identificere nye naturprodukter.

Van der Donk deler dette mål med et samarbejdende forskerhold inden for Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB), som han er medlem af. Mining Microbial Genomes forskerholdet har til formål at fremskynde jagten på naturlige produkter ved hjælp af kraften i næste generations genomiske teknologier. De værktøjer, som bakterier og andre mikrober bruger til fremstilling af naturlige produkter, er enzymer, specialiserede proteiner kodet af gener. Teamets langsigtede forskningsmål er at lære at læse igennem bakterielle genomer og, baseret på de gener, hver art besidder, forudsige hvilke forbindelser de er i stand til at lave.

Holdet er især interesseret i en klasse af molekyler kaldet phosphonater, der allerede har givet flere nyttige forbindelser. I begyndelsen af ​​denne undersøgelse, de ønskede at forstå, hvilke genprodukter der gør det muligt for en celle at danne et centralt træk ved et bestemt phosphonat kaldet fosfazinomycin, en forbindelse med svampedræbende egenskaber:en kemisk binding mellem to nitrogenatomer. Forbindelser med reaktive nitrogen-nitrogenbindinger reagerer let med andre molekyler, såsom DNA og proteiner, og kan som sådan bidrage til antimikrobiel eller kræftbekæmpende aktivitet.

"Vi ledte efter fosfazinomycin som en gruppe i sandsynligvis et årti, på grund af den meget usædvanlige struktur, men vi vidste ikke, hvilke gener "der gav enzymerne til at syntetisere det, van der Donk forklarede. "Vi besluttede okay, lad os finde ud af, hvordan naturen gør denne nitrogen-nitrogenbinding. "

Efter at gruppen begyndte at arbejde med projektet, to publikationer af forskere med fokus på andre naturlige produkter beskrev en proces med dannelse af nitrogen-nitrogenbinding, hvor et nitrogenatom er indbygget i molekylet, og en anden er senere knyttet - organismen bygger molekylet stykke for stykke, som et barn med en grundpakke legoklodser.

Van der Donks gruppe opdagede med overraskelse, at deres molekyls nitrogen-nitrogenbinding ikke blev dannet på denne måde. I stedet, bakterierne, de undersøgte, skabte nitrogen-nitrogenbindinger som en del af et meget mindre molekyle, som en special Lego -del, og senere at installere den del i det større molekyle, der ville blive til fosfazinomycin.

"Vi indså, da vi fortsatte med at arbejde, at i vores system, det er gjort meget anderledes, "van der Donk sagde." Det lignede i vores tilfælde, som om naturen lavede denne nitrogen-nitrogenbinding indeholdende molekyle som en færdigpakket molekylær enhed, der senere blev dumpet ind i en eksisterende biosyntetisk vej. "

Forskningsprojektet tog endnu en serendipitisk drejning, da kandidatstuderende og medforfatter Kwo-Kwang (Abraham) Wang præsenterede de foreløbige resultater på en konference. Han blev kontaktet af Harvard kemi kandidatstuderende Tai Ng, som sammen med sin laboratoriegruppe ledet af professor Emily Balskus studerede et naturprodukt og lovende kræftbekæmpende middel kaldet kinamycin. Kinamycin indeholder en nitrogen-nitrogenbinding, og Ng's forskning antydede, at den også deler det præfabrikationstrin, der mistænkes for fosfazinomycin.

"Vi havde bemærket, at deres molekyle [syntetiseres ved hjælp] af de samme gener, men vi vidste heller ikke rigtig hvordan det passede ind, fordi de laver en helt anden nitrogen-nitrogen-bindingsholdig struktur, der ikke ligner noget af vores molekyle, "sagde van der Donk. De to grupper begyndte at arbejde sammen, koordinerende forsøg, hvor mærkede molekyler blev fodret med bakterier, der var i stand til at syntetisere hvert af de to naturlige produkter, for at se, hvilke mellemliggende molekylære strukturer problemfrit kunne indføres i den naturlige biosyntesebane inden for cellen.

"Vi ville lave disse mærkede forbindelser, give dem til den producerende organisme, isolere det endelige produkt, for Harvard -gruppen kinamycin og for os fosfazinomycin, og se om nitrogen-nitrogen-delen af ​​molekylerne, som vi fodrede med disse organismer, blev installeret i det endelige produkt, "sagde van der Donk." Det gjorde vi for fire forskellige forbindelser, og hver gang var svaret ja, Ja, Ja, Ja."

At finde denne usandsynlige fællesskab i måden, hvorpå to forskellige molekyler produceres, øgede forskernes tillid til de involverede generers funktionelle roller. De har nu en ny genomisk signatur at tilføje til deres leksikon, noget, de kan scanne efter i andre bakterielle genomer, mens de fortsætter søgen efter nyttige naturprodukter.

"Vi er nødt til at lære mere om, hvordan kendte naturlige produkter fremstilles. Dette er et godt eksempel; nu hvor vi ved, vi kan bruge den viden. Inden da, det var bare en hel masse gener, og vi vidste ikke rigtigt, hvad vi skulle gøre med dem, "sagde van der Donk." Ved at gå efter ukendte genklynger [håber vi at kunne] se med det samme fra genklyngen, dette må være et nyt molekyle. . . kan det molekyle være det næste antibiotikum eller det næste antitumormedicin? "