Kemikere afslører den første vej for selenindsættelse i naturlige produkter

Forskere ved Princeton Chemistry har opdaget en biosyntetisk vej, der inkorporerer selen i mikrobielle små molekyler, hvilket markerer første gang, at sådanne atomer er blevet afsløret i naturlige produkter, og åbner nye veje inden for selenobiologi.

Forskningen tyder også stærkt på, at selen, et essentielt sporstof i alle livets riger, kan have en vigtigere biologisk rolle i bakterier, end forskerne oprindeligt antog.

Laboratoriets papir, "Biosyntese af selenholdige små molekyler i forskellige mikroorganismer," blev forfattet af Chase Kayrouz, en fjerdeårs kandidatstuderende i laboratoriet; postdocs Jonathan Huang og Nicole Hauser; og Mohammad Seyedsayamdost, professor ved Institut for Kemi.

"Dette var en slags lukket felt. Ingen havde fundet en ny vej i selenmetabolisme i 20 år," sagde Kayrouz. "Biosyntesen af ​​selenoproteiner og selenonukleinsyrer blev belyst i 80'erne og 90'erne. Og siden da har folk lidt antaget, at det er de eneste ting, mikrober gør med selen. Vi spekulerede simpelthen på, om de kunne inkorporere selen i andre små molekyler? Det viser sig, at de gør."

Seyedsayamdost siger, at deres "arbejde viser, at naturen faktisk har udviklet veje til at inkorporere dette element i små molekyler, sukkerarter og sekundære metabolitter. Selen har bemærkelsesværdige egenskaber, der adskiller sig fra dem af ethvert andet element, der findes i biomolekyler. Inkorporering af selen i selenonein, gør det for eksempel til en meget bedre antioxidant end svovlversionen af ​​molekylet. Men selvom svovl er allestedsnærværende i biomolekyler, er forekomsten af ​​selen meget sjældnere og man troede, at den var begrænset til biopolymerer."

"Naturen har udviklet specifikke mekanismer til at inkorporere enten svovl eller selen i naturlige produkter og derved drage fordel af de unikke egenskaber ved begge elementer gennem veje, der er specifikke for hver."

Leder efter selen

Laboratoriet startede deres undersøgelse under den antagelse, at selenatomer skulle eksistere i naturlige produkter på grund af deres udnyttelse allestedsnærværende. De spurgte, hvordan en sådan signatur ville se ud i mikrobielle genomer?

"Hvordan kan du egentlig se, hvor et nyt lægemiddel eller naturprodukt eller selenmetabolit er, hvordan finder du det?" sagde Kayrouz. "Vi leder typisk efter biosyntetiske genklynger - grupper af gener på kromosomet, der koder for biosyntesen af ​​sådanne molekyler. Så hvis vi har en vej til at lave en selenholdig forbindelse, skal den kodes af gener."

De implementerede en genomminestrategi i jagten på gener, der findes ved siden af ​​selD, som koder for det første trin i alle kendte selenprocesser inde i cellen.

Ret hurtigt fandt de et gen, der var co-lokaliseret med selD - kaldet senB - som fangede deres opmærksomhed, især fordi det ikke før har været impliceret i selenmetabolisme.

Yderligere undersøgelser afslørede et tredje co-lokaliseret gen, kaldet SenA. Kayrouz antog, at disse tre gener kan være involveret i en ny biosyntesevej for selen.

"Først definerede vi, hvordan en biosyntetisk genklynge, der inkorporerer selen, ville se ud," sagde Seyedsayamdost. "Vi brugte derefter bioinformatik til at lede efter sådanne gener og identificerede, hvad vi nu kalder 'sen-klyngen' i forskellige mikrobielle genomer."

De var i stand til at udtrykke hver af disse nye gener i Escherichia coli, og dermed samle hele vejen i et reagensglas. Dette afslørede produktion af to selenholdige små molekyler - en selensukker og et molekyle kaldet selenonein. Det afslørede også to enzymer, der danner kulstof-selenbindinger, de første sådanne enzymer, der virker på biologiske små molekyler.

"Mikroberne putter selen i disse forbindelser af en grund, så der må være noget interessant bioaktivitet forbundet med dem," sagde Kayrouz. "Vi ved ikke, hvad det er endnu, men det er ekstremt spændende. Som biologiske kemikere er opdagelser som denne det, vi vågner op til hver dag."

Forskningen blev offentliggjort i Nature . + Udforsk yderligere

Kemikere syntetiserer en antimikrobiel forbindelse ud fra harmløst kitin og selen