Syntese af potent antibiotikum følger en usædvanlig kemisk vej

Billeder af et protein involveret i at skabe et potent antibiotikum afslører de usædvanlige første trin i antibiotikaens syntese. Den forbedrede forståelse af kemien bag denne proces, detaljeret i en ny undersøgelse ledet af Penn State kemikere, kunne give forskere mulighed for at tilpasse denne og lignende forbindelser til brug i humanmedicin.

"Antibiotikummet thiostrepton er meget potent mod Gram-positive patogener og kan endda målrette mod visse brystkræftceller i kultur, " sagde Squire Booker, en biokemiker i Penn State og efterforsker ved Howard Hughes Medical Institute. "Mens det er blevet brugt topisk i veterinærmedicin, hidtil har det været ineffektivt hos mennesker, fordi det er dårligt absorberet. Vi studerede de første trin i thiostreptons biosyntese i håb om til sidst at være i stand til at kapre visse processer og lave analoger af molekylet, der kunne have bedre medicinske egenskaber. Vigtigt, denne reaktion findes i biosyntesen af ​​mange andre antibiotika, og så arbejdet har potentialet til at være vidtrækkende."

Det første trin i thiostreptons syntese involverer en proces kaldet methylering. Et molekylært mærke kaldet methylgruppe, hvilket er vigtigt i mange biologiske processer, sættes til et molekyle af tryptofan, reaktionens substrat. Et af de vigtigste systemer til methylering af forbindelser, der ikke er særlig reaktive, som tryptophan, involverer en klasse af enzymer kaldet radikale SAM-proteiner.

"Radikale SAM-proteiner bruger normalt en jern-svovl-klynge til at spalte et molekyle kaldet S-adenosyl-L-methionin (SAM), producerer et "frit radikal" eller en uparret elektron, der hjælper med at bevæge reaktionen fremad, " sagde Hayley Knox, en kandidatstuderende i kemi ved Penn State og første forfatter af papiret. "Den eneste undtagelse, vi hidtil kender til, er proteinet, der er involveret i biosyntesen af ​​thiostrepton, kaldet TsrM. Vi ønskede at forstå, hvorfor TsrM ikke laver radikal kemi, så vi brugte en billedbehandlingsteknik kaldet røntgenkrystallografi til at undersøge dens struktur på flere stadier gennem reaktionen."

I alle radikale SAM -proteiner, der er karakteriseret til dato, SAM binder sig direkte til jern-svovl-klyngen, som hjælper med at fragmentere molekylet for at producere de frie radikaler. Imidlertid, fandt forskerne ud af, at det sted, hvor SAM typisk binder, er blokeret i TsrM.

"Dette er helt anderledes end ethvert andet radikalt SAM-protein, " sagde Booker. "I stedet, den del af SAM, der binder til klyngen, associerer med tryptofansubstratet og spiller en nøglerolle i reaktionen, i det, der kaldes substratassisteret katalyse."

Forskerne præsenterer deres resultater i en artikel, der blev vist 18. januar i tidsskriftet Naturkemi .

Ved løsning af strukturen, forskerne var i stand til at udlede de kemiske trin under den første del af thiostreptons biosyntese, når tryptofan er methyleret. Kort sagt, methylgruppen fra SAM overføres til en del af TsrM kaldet cobalamin. Derefter, ved hjælp af et ekstra SAM -molekyle, methylgruppen overføres til tryptofan, regenerering af fri cobalamin og fremstilling af det methylerede substrat, som er påkrævet for de næste trin i syntesen af ​​antibiotika.

"Cobalamin er den stærkeste nukleofil i naturen, hvilket betyder, at det er meget reaktivt, " sagde Knox. "Men substratet tryptofan er svagt nukleofilt, så et stort spørgsmål er, hvordan cobalamin nogensinde kunne fortrænges. Vi fandt ud af, at en argininrest sidder under cobalamin og destabiliserer methyl-cobalamin, tillader tryptofan at fortrænge cobalamin og blive methyleret."

Dernæst planlægger forskerne at studere andre cobalamin-afhængige radikale SAM-proteiner for at se, om de fungerer på lignende måder. Ultimativt, de håber at finde eller skabe analoger af thiostrepton, der kan bruges i human medicin.

"TsrM er klart unik med hensyn til kendte cobalamin-afhængige radikale SAM-proteiner og radikale SAM-proteiner generelt, " sagde Booker. "Men der er hundredtusindvis af unikke sekvenser af radikale SAM-enzymer, og vi ved stadig ikke, hvad de fleste af dem gør. Mens vi fortsætter med at studere disse proteiner, vi venter måske på mange flere overraskelser. "