Bakterielle enzymer kapret til at skabe komplekse molekyler, der normalt fremstilles af planter

Kemikere ved Scripps Research har effektivt skabt tre familier af komplekse, oxygenholdige molekyler, der normalt kun kan opnås fra planter.

Disse molekyler, kaldet terpener, er potentielle udgangspunkt for nye lægemidler og andre produkter af høj værdi-hvilket markerer en vigtig udvikling for flere industrier. Ud over, den nye tilgang kunne give kemikere mulighed for at bygge mange andre klasser af forbindelser.

Kemikaliepræstationen er detaljeret i tidsskriftet 13. august Videnskab .

Nøglen til denne nye metode til fremstilling af molekyler er udnyttelse, eller kapring, af naturlige enzymer - fra bakterier, i dette tilfælde - for at hjælpe med komplekse kemiske transformationer, der har været upraktiske eller umulige med syntetiske kemiteknikker alene, siger hovedforsker Hans Renata, Ph.d., en adjunkt i Institut for Kemi ved Scripps Research.

Naturlige enzymer, der hjælper med at opbygge molekyler i celler, udfører normalt kun en eller to meget specifikke opgaver. Men Scripps Research -teamet viste, at naturlige enzymer, selv uden ændringer, kan fås til at udføre en bredere vifte af opgaver.

"Vi synes generelt, enzymer er en for det meste uudnyttet ressource til løsning af problemer i kemisk syntese, "Siger Renata." Enzymer har en tendens til at have en vis grad af promiskuøs aktivitet, hvad angår deres evne til at anspore kemiske reaktioner ud over deres primære opgave, og det kunne vi drage fordel af her. "

At udnytte enzymernes skjulte talenter

Enzymer hjælper med at bygge molekyler i alle planter, dyr og mikrobielle arter. Inspireret af deres effektivitet i konstruktionen af ​​meget komplekse molekyler, kemikere i mere end et halvt århundrede har brugt enzymer i laboratoriet til at hjælpe med at bygge værdifulde forbindelser, herunder lægemiddelforbindelser - men normalt er disse forbindelser de samme molekyler, som enzymerne hjælper med at opbygge i naturen.

Udnyttelse af naturlige enzymer på en bredere måde, i henhold til deres grundlæggende biokemiske aktivitet, er en ny strategi med stort potentiale.

"Vores opfattelse er nu, at når vi vil syntetisere et komplekst molekyle, løsningen findes sandsynligvis allerede blandt naturens enzymer - vi skal bare vide, hvordan vi finder de enzymer, der virker, "siger seniorforfatter Ben Shen, Ph.d., formand for Institut for Kemi på campus i Florida og direktør for Scripps Research's Natural Products Discovery Center.

Det lykkedes teamet at gøre ni terpener kendt for at blive produceret i Isodon, en familie af blomstrende planter relateret til mynte. De komplekse forbindelser tilhører tre terpenfamilier med beslægtede kemiske strukturer:ent-kauranes, ent-atisanes, og ent-trachylobaner. Medlemmer af disse terpenfamilier har en bred vifte af biologiske aktiviteter, herunder undertrykkelse af betændelse og tumorvækst.

En opskrift på succes med syntese

Syntesen af ​​hver forbindelse, i mindre end 10 trin for hver, var en hybridproces, der kombinerede nuværende organiske syntesemetoder med enzymmedieret syntese ud fra en billig forbindelse kaldet steviosid, hovedkomponenten i det kunstige sødemiddel Stevia.

Hovedhindringen var den direkte udskiftning af hydrogenatomer med oxygenatomer i et komplekst mønster på carbonatomskelet af udgangsforbindelsen. Nuværende organiske syntesemetoder har et begrænset arsenal til sådanne transformationer. Imidlertid, naturen har produceret mange enzymer, der kan muliggøre disse transformationer-hver i stand til at udføre sin funktion med en grad af kontrol, der ikke kan matches af menneskeskabte metoder.

"At være en tværfaglig forskningsgruppe, vi var fuldt ud klar over begrænsningerne ved nuværende organiske syntesemetoder, men også af de mange unikke måder, som enzymer kan overvinde disse begrænsninger på - og vi havde indsigt i at kombinere traditionel syntetisk kemi med enzymatiske metoder på en synergistisk måde, "Siger Renata.

De tre anvendte enzymer, som blev identificeret og karakteriseret ved Shen, Renata og kolleger kun sidste år, produceres naturligt af en bakterie - en af ​​de 200, 000 plus arter i Microbial Strain Collection på Scripps Research's Natural Products Discovery Center.

"Vi var i stand til at bruge disse enzymer ikke kun til at ændre startmolekylerne, eller stilladser, som vi kalder dem, men også at gøre et stillads til et andet, så vi kunne omdanne en terpen fra en familie til en terpen fra en anden familie, "siger anden forfatter Emma King-Smith, en ph.d. elev i Renata lab.

Kemikerne har nu til hensigt at bruge deres nye tilgang til at lave nyttige mængder af de ni forbindelser, samt kemiske varianter af forbindelserne, og, med samarbejdende laboratorier, udforske deres egenskaber som potentielle lægemidler eller andre produkter.

"Med vores strategi, vi kan gøre disse stærkt oxiderede diterpener meget lettere og i større mængder end det ville være muligt ved at isolere dem fra de planter, hvor de findes naturligt, "siger første forfatter Xiao Zhang, Ph.d., en postdoktoral forskningsassistent i Renata -laboratoriet.

Lige så vigtigt, siger forskerne, de arbejder på at identificere reaktioner og enzymer, der gør det muligt for dem at udvide deres tilgang til andre molekylklasser.

Centralt i alle disse bestræbelser er den løbende udvikling af metoder til at sile gennem mikrober og andre organismeres DNA for at identificere de enzymer, de koder - og forudsige disse enzymers aktiviteter. Der findes milliarder af forskellige enzymer i planter, dyr, og bakterier på Jorden, og kun en lille brøkdel af dem er blevet katalogiseret til dato.

"Vi er begejstrede for potentialet ved at opdage nye og nyttige enzymer fra vores stambibliotek her på Scripps Research, "Renata siger." Vi tror, ​​at det vil sætte os i stand til at løse mange andre problemer inden for kemisk syntese. "