Nieuw ontdekt enzym gebruikt een ongebruikelijk mechanisme om een ​​molecuul te genereren met een oogverblindende vreselijke geur

Het onwelriekende molecuul dat dierlijke mest zijn weerzinwekkende stank geeft, is tot bij de bron opgespoord. A*STAR-onderzoekers en hun collega's hebben het enzym geïdentificeerd dat bepaalde darmbacteriën gebruiken om skatol te produceren, een kenmerkend bestanddeel van fecaal aroma. De ontdekking kan mogelijk worden gebruikt om onaangename geuren uit de veehouderij te helpen elimineren, en het kan zelfs gevolgen hebben voor de verbetering van de menselijke gezondheid, zeggen de onderzoekers.

Skatol is zo krachtig dat de menselijke neus het in de lucht kan detecteren bij een concentratiedrempel van slechts 0,00056 delen per miljoen. Bacteriën die in de darm van dieren leven, inclusief mensen, skatol produceren door indolacetaat af te breken, dat zelf een afbraakproduct is van tryptofaan, een aminozuur uit voedingseiwit. Het bacteriële enzym dat indolacetaat omzet in skatol is nooit geïdentificeerd. hoewel de enzymen die verwante aromatische aminozuurmetabolieten afbreken bekend zijn.

Nutsvoorzieningen, het skatol-producerende enzym is geïdentificeerd door een internationaal onderzoeksteam, mede geleid door Huimin Zhao, van het A*STAR Instituut voor Chemische en Technische Wetenschappen. "We zijn geïnteresseerd in het identificeren van nieuwe door enzymen gekatalyseerde chemische reacties in de natuur, en het verkennen van de bijbehorende enzymen voor praktische toepassingen, ' zei Zhao.

Het team gebruikte vergelijkende genomica om het verantwoordelijke enzym te identificeren. "We hadden het geluk dat de genoomsequenties van twee skatol-producerende bacteriën al beschikbaar waren in openbare databases, " voegt Yifeng Wei toe, een lid van Zhao's team bij A*STAR. De onderzoekers vergeleken de genen van de twee bacteriën, op zoek naar onbekende enzymen die beide soorten bezaten, gerelateerd aan enzymen waarvan bekend is dat ze andere aromatische aminozuurmetabolieten afbreken.

Het team identificeerde snel een kandidaat-enzym in de genetische gegevens, en een biochemische test bevestigde dat het indolacetaat in skatol verandert. Weg van de zuurstofvrije omgeving van de darm, het indoleacetaatdecarboxylase-enzym vereiste een zorgvuldige behandeling. "Het meest uitdagende onderdeel van dit project - voornamelijk uitgevoerd door onze medewerkers aan de Tianjin University, was de biochemische karakterisering van het zuurstofgevoelige enzym, " zegt Zhao. Om ervoor te zorgen dat het actief bleef, het enzym moest in een handschoenenkastje worden bewaard en gehanteerd, onder zuurstofvrije omstandigheden, altijd.

Het identificeren van indolacetaatdecarboxylase heeft veel potentiële praktische toepassingen, Zegt Zhao. De genetische sequentie van het enzym kan worden gebruikt als een marker om skatol-producerende organismen te identificeren. "Eenmaal geïdentificeerd, stappen kunnen worden ondernomen om deze organismen te elimineren of te vervangen, of om omstandigheden te creëren die hun specifieke skatol-producerende metabolisme onderdrukken, " zegt Zhao. De toepassingen reiken veel verder dan de landbouw. ​​"We hebben gemerkt dat dit enzym aanwezig is in bepaalde menselijke orale bacteriën waarvan de sequentie is bepaald, die een manier zou kunnen bieden om bepaalde aspecten van een slechte adem te behandelen, " voegt Wei toe. Van de muggen die menselijke ziekten zoals Japanse encefalitis en het West-Nijlvirus dragen, is ook bekend dat ze worden aangetrokken door skatol.

Vergelijkende genomica heeft het potentieel om vele andere enzymen met ongebruikelijke chemie en biochemie te identificeren, Zegt Zhao. "Er zijn talloze metabolieten geproduceerd door anaërobe bacteriën, vooral darmbacteriën, die alleen kan worden geproduceerd door ongebruikelijke en nog niet geïdentificeerde enzymchemie, "zegt hij. De darm, een zuurstofvrije anaërobe omgeving, is potentieel een rijke bron van enzymen met een unieke biochemische reactiviteit waarbij zeer reactieve 'vrije radicalen' tussenproducten betrokken zijn.

"Als biochemici, we zijn gewend te denken aan organische moleculen waarin alle elektronen gepaard zijn, "zegt Zhao. "Echter, bepaalde reacties worden gemakkelijker bereikt door chemische soorten met ongepaarde elektronen - dat wil zeggen, vrije radicalen." Deze reactieve soorten zijn vaak gevoelig voor zuurstof, maar dat is geen belemmering in de darm.

Het team is van plan om het mechanisme van vrije radicalen voor indoleacetaatdecarboxylering in meer detail te bestuderen, en karakteriseren van andere enzymen in de skatol-producerende metabole route, Zegt Zhao. "Op de lange termijn, we zijn van plan om door te gaan met het ontdekken van nieuwe enzymatische vrije radicalen in milieu- en menselijke darmbacteriën."