Bacteriën zijn meester-ingenieurs van kleine, biologisch bruikbare moleculen. Een nieuwe studie in Natuurcommunicatie heeft een van de kneepjes van deze microbiële handel onthuld:het synthetiseren en later invoegen van een stikstof-stikstofbinding, als een geprefabriceerd onderdeel, tot een groter molecuul.

De ontdekking werd gedaan door een samenwerkende groep chemici van de University of Illinois en Harvard University. Samen, ze bevestigden dat twee anders niet verwante, bacterieel geproduceerde verbindingen deelden een ongebruikelijke reeks stappen in hun biosynthetische routes. Het ontcijferen van dit type biochemisch proces zal helpen bij het zoeken naar andere bruikbare biologische verbindingen.

"Het is een moleculair handvat of genetisch handvat als je nu achter andere nieuwe moleculen aan wilt gaan die mensen nog niet eerder hebben gevonden, zei Wilfred van der Donk, Richard E. Heckert bijzonder leerstoel scheikunde en onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute. "Dus we zijn behoorlijk enthousiast over zowel wat er in de krant staat als wat het ons in staat stelt in de toekomst te doen."

Natuurlijke producten, stoffen geproduceerd door levende wezens, hebben ons antibiotica gegeven, antischimmelmiddelen, kanker therapieën, en andere belangrijke farmaceutische en industriële verbindingen; voortdurende verkenning van de diverse chemische wereld van microben is een van onze beste hoop voor toekomstige ontdekking van geneesmiddelen. Een belangrijk aandachtspunt van Van der Donk's onderzoek is de zoektocht naar nieuwe natuurlijke producten.

Van der Donk deelt dat doel met een gezamenlijk onderzoeksteam binnen het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB), waarvan hij lid is. Het onderzoeksteam van Mining Microbial Genomes heeft tot doel de jacht op natuurlijke producten te versnellen met behulp van de kracht van genomische technologieën van de volgende generatie. De hulpmiddelen die bacteriën en andere microben gebruiken om natuurlijke producten te maken, zijn enzymen, gespecialiseerde eiwitten gecodeerd door genen. Het langetermijnonderzoeksdoel van het team is om te leren lezen door bacteriële genomen en, gebaseerd op de genen die elke soort bezit, voorspellen welke verbindingen ze kunnen maken.

Het team is vooral geïnteresseerd in een klasse moleculen die fosfonaten worden genoemd en die al meerdere bruikbare verbindingen hebben opgeleverd. Aan het begin van de huidige studie, ze wilden begrijpen welke genproducten een cel in staat stellen een sleutelkenmerk te vormen van een bepaald fosfonaat, fosfazinomycine genaamd, een verbinding met schimmelwerende eigenschappen:een chemische binding tussen twee stikstofatomen. Verbindingen met reactieve stikstof-stikstofbindingen reageren gemakkelijk met andere moleculen zoals DNA en eiwitten en kunnen als zodanig bijdragen aan antimicrobiële of antikankeractiviteit.

"We waren waarschijnlijk tien jaar op zoek naar fosfazinomycine als groep, vanwege de zeer ongebruikelijke structuur, maar we wisten niet welke genen" de enzymen leverden om het te synthetiseren, van der Donk uitgelegd. "We hebben besloten oke, laten we uitzoeken hoe de natuur deze stikstof-stikstofbinding maakt."

Nadat de groep aan het project begon te werken, twee publicaties van onderzoekers gericht op andere natuurlijke producten beschreven een proces van vorming van stikstof-stikstofbindingen waarbij één stikstofatoom in het molecuul wordt ingebouwd, en een andere wordt later bevestigd - het organisme bouwt het molecuul stukje bij beetje op, als een kind met een basispakket Legoblokjes.

De groep van Van der Donk ontdekte met verbazing dat de stikstof-stikstofbinding van hun molecule niet op deze manier werd gevormd. In plaats daarvan, de bacteriën die ze bestudeerden creëerden stikstof-stikstofbindingen als onderdeel van een veel kleiner molecuul, als een speciaal Lego-onderdeel, en later dat deel te installeren in het grotere molecuul dat fosfazinomycine zou worden.

"Terwijl we doorgingen met werken, realiseerden we ons dat in ons systeem, het is heel anders gedaan, "Zei Van der Donk. "Het leek in ons geval alsof de natuur deze stikstof-stikstofbinding bevattende molecule maakte als een voorverpakte moleculaire entiteit die later in een bestaande biosynthetische route werd gedumpt."

Het onderzoeksproject nam een ​​andere serendipe wending toen promovendus en co-eerste auteur Kwo-Kwang (Abraham) Wang de voorlopige resultaten presenteerde op een conferentie. Hij werd benaderd door de scheikundestudent Tai Ng van Harvard, die samen met zijn laboratoriumgroep onder leiding van professor Emily Balskus een natuurlijk product en een veelbelovend middel tegen kanker bestudeerde, kinamycine genaamd. Kinamycine bevat een stikstof-stikstofbinding, en Ng's onderzoek suggereerde dat het ook de prefabricagestap deelt die wordt vermoed voor fosfazinomycine.

"We hadden gemerkt dat hun molecuul [wordt gesynthetiseerd met] dezelfde genen, maar we wisten ook niet echt hoe dat paste, omdat ze een compleet andere structuur maken die stikstof-stikstof bindingen bevat die in niets lijkt op ons molecuul, zei van der Donk. De twee groepen begonnen samen te werken, coördinatie van experimenten waarbij gelabelde moleculen werden gevoerd aan bacteriën die elk van de twee natuurlijke producten kunnen synthetiseren, om te zien welke tussenliggende moleculaire structuren naadloos kunnen worden geïntroduceerd in de natuurlijke biosyntheseroute in de cel.

"We zouden deze gelabelde verbindingen maken, geef ze aan het producerende organisme, het eindproduct isoleren, voor de Harvard-groep kinamycine en voor ons fosfazinomycine, en kijk of de stikstof-stikstofgroep van de moleculen die we aan deze organismen voerden, in het eindproduct was geïnstalleerd, zei van der Donk. "We deden dat voor vier verschillende verbindingen en elke keer was het antwoord ja, Ja, Ja, Ja."

Het vinden van deze onwaarschijnlijke overeenkomst in de manier waarop twee ongelijke moleculen worden geproduceerd, verhoogde het vertrouwen van de onderzoekers in de functionele rollen van de betrokken genen. Ze hebben nu een nieuwe genomische handtekening om toe te voegen aan hun lexicon, iets waar ze naar kunnen zoeken in andere bacteriële genomen terwijl ze doorgaan met zoeken naar bruikbare natuurlijke producten.

"We moeten meer leren over hoe bekende natuurlijke producten worden gemaakt. Dit is een geweldig voorbeeld; nu we weten, die kennis kunnen we gebruiken. Daarvoor, het was gewoon een hele hoop genen en we wisten niet echt wat we ermee moesten doen, Van der Donk zei. "Door achter onbekende genenclusters aan te gaan [hopen we dat te kunnen] onmiddellijk zien vanuit de genencluster, dit moet een nieuw molecuul zijn. . . zou dat molecuul het volgende antibioticum of het volgende antitumormiddel kunnen zijn?"