Beelden van een eiwit dat betrokken is bij het maken van een krachtig antibioticum onthullen de ongebruikelijke eerste stappen van de synthese van het antibioticum. Het verbeterde begrip van de chemie achter dit proces, gedetailleerd in een nieuwe studie onder leiding van Penn State-chemici, zou onderzoekers in staat kunnen stellen deze en soortgelijke verbindingen aan te passen voor gebruik in de menselijke geneeskunde.

"Het antibioticum thiostrepton is zeer krachtig tegen Gram-positieve pathogenen en kan zich zelfs richten op bepaalde borstkankercellen in kweek, " zei schildknaap Booker, een biochemicus bij Penn State en onderzoeker bij het Howard Hughes Medical Institute. "Hoewel het plaatselijk is gebruikt in de diergeneeskunde, tot nu toe is het niet effectief geweest bij mensen omdat het slecht wordt geabsorbeerd. We bestudeerden de eerste stappen in de biosynthese van thiostrepton in de hoop uiteindelijk bepaalde processen te kunnen kapen en analogen van het molecuul te maken die mogelijk betere geneeskrachtige eigenschappen hebben. belangrijk, deze reactie wordt gevonden in de biosynthese van tal van andere antibiotica, en dus heeft het werk het potentieel om verreikend te zijn."

De eerste stap in de synthese van thiostrepton omvat een proces dat methylering wordt genoemd. Een moleculaire tag genaamd methylgroep, wat belangrijk is in veel biologische processen, wordt toegevoegd aan een molecuul tryptofaan, het substraat van de reactie. Een van de belangrijkste systemen voor het methyleren van verbindingen die niet bijzonder reactief zijn, zoals tryptofaan, omvat een klasse enzymen die radicale SAM-eiwitten worden genoemd.

"Radicale SAM-eiwitten gebruiken meestal een ijzer-zwavelcluster om een ​​molecuul genaamd S-adenosyl-L-methionine (SAM) te splitsen, het produceren van een "vrije radicaal" of een ongepaard elektron dat de reactie vooruit helpt, " zei Hayley Knox, een afgestudeerde student scheikunde aan Penn State en eerste auteur van het papier. "De enige uitzondering die we tot nu toe kennen, is het eiwit dat betrokken is bij de biosynthese van thiostrepton, TsrM genoemd. We wilden begrijpen waarom TsrM geen radicale chemie doet, dus gebruikten we een beeldvormende techniek genaamd röntgenkristallografie om de structuur ervan in verschillende stadia van de reactie te onderzoeken."

In alle radicale SAM-eiwitten die tot nu toe zijn gekarakteriseerd, SAM bindt direct aan het ijzer-zwavelcluster, wat helpt om het molecuul te fragmenteren om de vrije radicaal te produceren. Echter, de onderzoekers ontdekten dat de site waar SAM normaal gesproken zou binden, is geblokkeerd in TsrM.

"Dit is totaal anders dan elk ander radicaal SAM-eiwit, "zei Booker. "In plaats daarvan, het deel van SAM dat aan het cluster bindt, associeert met het tryptofaansubstraat en speelt een sleutelrol in de reactie, in wat substraatondersteunde katalyse wordt genoemd."

De onderzoekers presenteren hun resultaten in een artikel dat op 18 januari in het tijdschrift verschijnt Natuurchemie .

Bij het oplossen van de structuur de onderzoekers konden de chemische stappen afleiden tijdens het eerste deel van de biosynthese van thiostrepton, wanneer tryptofaan wordt gemethyleerd. Kortom, de methylgroep van SAM wordt overgebracht naar een deel van TsrM dat cobalamine wordt genoemd. Vervolgens, met behulp van een extra SAM-molecuul, de methylgroep gaat over in tryptofaan, het regenereren van vrij cobalamine en het produceren van het gemethyleerde substraat, die nodig is voor de volgende stappen in de synthese van het antibioticum.

"Cobalamine is de sterkste nucleofiel in de natuur, wat betekent dat het zeer reactief is, " zei Knox. "Maar het substraat tryptofaan is zwak nucleofiel, dus een grote vraag is hoe cobalamine ooit zou kunnen worden verdrongen. We ontdekten dat een arginineresidu onder de cobalamine zit en de methylcobalamine destabiliseert. waardoor tryptofaan cobalamine kan verdringen en gemethyleerd kan worden."

Vervolgens zijn de onderzoekers van plan om andere cobalamine-afhankelijke radicale SAM-eiwitten te bestuderen om te zien of ze op vergelijkbare manieren werken. uiteindelijk, ze hopen analogen van thiostrepton te vinden of te maken die in de menselijke geneeskunde kunnen worden gebruikt.

"TsrM is duidelijk uniek in termen van bekende cobalamine-afhankelijke radicale SAM-eiwitten en radicale SAM-eiwitten in het algemeen, " zei Booker. "Maar er zijn honderdduizenden unieke sequenties van radicale SAM-enzymen, en we weten nog steeds niet wat de meesten van hen doen. Terwijl we deze eiwitten blijven bestuderen, we kunnen nog veel meer verrassingen in petto hebben."