Biosyntese af cyanobakterin åbner op for en ny klasse af naturlige forbindelser til anvendelse i medicin og landbrug

At naturen er en fremragende kemiker, demonstreres af den overflod af molekyler, såkaldte naturprodukter, som den producerer biosyntetisk. Disse naturprodukter er også af central betydning for os mennesker. De bruges på mange måder i vores hverdag, især som aktive stoffer i medicin og landbrug. Fremtrædende eksempler er antibiotika såsom peniciliner isoleret fra skimmelsvampe, kræftmidlet Taxol fra Stillehavstakstræet og pyrethriner fundet i krysantemum, som bruges til at bekæmpe skadedyrsangreb.

Viden om og forståelse af den biosyntetiske samling af sådanne forbindelser af natur er afgørende for udvikling og produktion af lægemidler baseret på sådanne forbindelser. I denne sammenhæng har forskere fra grupperne af prof. Tobias Gulder (TU Dresden) og prof. Tanja Gulder (Leipzig Universitet) i fællesskab undersøgt biosyntesen af ​​cyanobakterin, som er meget giftigt for fotosyntetiske organismer og produceres i små mængder i naturen af cyanobacterium Scytonema hofmanni. I deres arbejde var (bio)kemikerne ikke kun i stand til at belyse biosyntesen af ​​naturproduktet for første gang, men opdagede også en ny enzymatisk transformation til dannelsen af ​​kulstof-kulstofbindinger.

Dette arbejde blev muliggjort ved at kombinere moderne værktøjer fra bioinformatik, syntetisk biologi, enzymologi og (bio)kemisk analyse. Fokus var på, hvordan den centrale del af cyanobakterinkulstofskelettet produceres. De formodede gener for dette blev først klonet ved metoden "Direct Pathway Cloning" (DiPaC) og derefter aktiveret i modelorganismen E. coli som en cellefabrik.

DiPaC er en ny syntetisk biologisk metode, der tidligere er udviklet i laboratoriet hos Tobias Gulder, professor i teknisk biokemi ved TU Dresden. "DiPaC giver os mulighed for at overføre hele naturlige produkters biosynteseveje til rekombinante værtssystemer meget hurtigt og effektivt," forklarer Tobias Gulder.

I det næste trin analyserede forskerholdet de væsentlige individuelle trin i cyanobakterinbiosyntesen ved yderligere at producere alle nøgleenzymer i værtsorganismen E.coli, isolere dem og derefter undersøge funktionen af ​​hvert enzym. I processen stødte de på en hidtil ukendt klasse af enzymer kaldet furanolidsyntaser. Disse er i stand til at katalysere dannelsen af ​​carbon-carbon-bindinger efter en usædvanlig mekanisme. I yderligere undersøgelser af disse furanolidsyntaser viste disse enzymer sig at være effektive in vitro biokatalysatorer, hvilket gør dem yderst attraktive til bioteknologiske anvendelser.

"Med furanolidsyntaserne har vi fået et enzymatisk værktøj, som vil give os mulighed for at udvikle mere miljøvenlige metoder til produktion af bioaktive forbindelser i fremtiden og dermed yde et væsentligt bidrag til en mere bæredygtig kemi," forklarer prof. Tanja Gulder fra instituttet. Institut for Organisk Kemi ved Leipzig Universitet.

Dernæst ønsker de to forskerhold specifikt at søge efter disse nye biokatalysatorer også i andre organismer og dermed finde nye bioaktive medlemmer af denne naturproduktklasse, samt udvikle metoder til bioteknologisk produktion og strukturel diversificering af cyanobakterin. "Vores arbejde baner vejen for den omfattende udvikling af en spændende klasse af naturlige produkter til anvendelse i medicin og landbrug," er de to videnskabsmænd enige om.

Forskningen blev offentliggjort i Nature Chemical Biology . + Udforsk yderligere

Cyanobakterier:Små kandidater som store forhåbninger til medicin og bioteknologi