Onderzoekers van NUS gebruikten een genome mining-benadering om een ​​nieuw cyclisch peptide (tolypamide) te identificeren dat is afgeleid van een cyanobacterie. De biosynthese van tolypamide bevat een nieuw type enzym dat in staat is een reeks substraten te prenyleren en potentieel kan worden gebruikt in de farmaceutische chemie en synthetische biologie.

Bioactieve peptiden hebben een sterke positie veroverd op de farmaceutische markt vanwege de talrijke voordelen, zoals een effectieve targeting van eiwit-eiwitinteracties, lage off-target effecten, en lage toxiciteit. Deze voordelen worden vaak aangetast door de slechte biologische beschikbaarheid en celpermeabiliteit. Een manier om de membraanpermeabiliteit te verbeteren is om de lipofiliciteit te verhogen door een alkylketen aan het molecuul toe te voegen (prenylering). Deze transformaties, die kan worden gekatalyseerd door enzymen die betrokken zijn bij de biosynthese van natuurlijke producten van cyanobactine, kan mogelijk de therapeutische werkzaamheid van niet-gemodificeerde peptiden versterken. Ook, cyanobactine-enzymen hebben een brede substraatselectiviteit en werken op een zeer selectieve en specifieke manier met betrekking tot de positie en oriëntatie van de aminozuurresiduen. Het begrijpen van de grondgedachte achter de selectiviteit en specificiteit van deze katalysatoren zal helpen om het vermogen van deze enzymen als biochemische toolkits te benutten.

In samenwerking met een internationaal onderzoeksteam, Prof Brandon Morinaka van de afdeling Farmacie, National University of Singapore ontdekte een nieuw type cyanobactine-enzym dat bekend staat als ToIF. Het vertoont specifieke selectiviteit voor de modificatie van serine- en threonine-residuen in peptiden. Dit werk is een gezamenlijke onderzoeksinspanning met Prof Eric Schmidt van de Universiteit van Utah en Dr. Muriel Gugger van het Institut Pasteur. Eiwitten uit een subfamilie van prenyltransferasen werden in kaart gebracht in een sequentieovereenkomstnetwerk.

De onderzoekers pasten gerichte genoommining toe om de genclusters te analyseren die coderen voor deze eiwitten en identificeerden het ToIF-enzym en de tol-biosynthetische route. Ze ontdekten dat het TolF-enzym betrokken is bij de productie van tolypamide, dat een hydrofobe prenyl-functionele groep aan zijn structuur heeft (Figuur 1). Dergelijke moleculaire aanhechtingen zijn bruikbaar voor het verbeteren van de membraanpermeabiliteit van therapeutische verbindingen. Het TolF-enzym werd functioneel gevalideerd door in vitro biosynthese van het natuurlijke product tolypamide (Figuur 2). Aanvullende biochemische testen tonen aan dat het TolF-enzym ook in staat is om voorwaartse prenylatie op de threonine- en serineresiduen op verschillende synthetische peptiden te vergemakkelijken.

Daten, het enige andere lid van deze klasse van enzymen (prenyltransferase) waarvan is vastgesteld dat het inwerkt op serine- of threonineresiduen, is TruF1. Echter, zijn slechte oplosbaarheid en lage in vitro activiteit hebben uitgebreide karakterisering verhinderd. De ontdekking van TolF biedt de mogelijkheid om de structurele biologie en evolutie van deze enzymfamilie te bestuderen.

Prof Morinaka zei:"Verdere karakterisering van het TolF-enzym zal een vollediger begrip van de substraatspecificiteit en selectiviteit van prenyltransferasen mogelijk maken. Dit zal de rationele engineering van deze biokatalysatoren als krachtige hulpmiddelen op het gebied van synthetische biologie vergemakkelijken."