Onderzoekers van Princeton Chemistry hebben een biosynthetische route ontdekt die selenium in microbiële kleine moleculen opneemt, wat de eerste keer is dat dergelijke atomen zijn ontdekt in natuurlijke producten en nieuwe wegen opent in de selenobiologie.

Het onderzoek suggereert ook sterk dat selenium, een essentieel sporenelement in alle koninkrijken van het leven, een belangrijkere biologische rol kan spelen in bacteriën dan wetenschappers aanvankelijk dachten.

Het artikel van het laboratorium, "Biosynthese van seleniumbevattende kleine moleculen in diverse micro-organismen", is geschreven door Chase Kayrouz, een vierdejaarsstudent in het laboratorium; postdocs Jonathan Huang en Nicole Hauser; en Mohammad Seyedsayamdost, professor in de afdeling Scheikunde.

"Dit was een soort gesloten veld. Niemand had in 20 jaar een nieuwe route in het seleniummetabolisme gevonden", zei Kayrouz. "De biosynthese van selenoproteïnen en selenonucleïnezuren werd opgehelderd in de jaren '80 en '90. En sindsdien gingen mensen er min of meer van uit dat dit de enige dingen zijn die microben met selenium doen. We vroegen ons gewoon af of ze selenium zouden kunnen opnemen in andere kleine moleculen? Het blijkt dat ze dat doen."

Seyedsayamdost zegt dat hun "werk aantoont dat de natuur inderdaad routes heeft ontwikkeld om dit element op te nemen in kleine moleculen, suikers en secundaire metabolieten. Selenium heeft opmerkelijke eigenschappen die verschillen van die van enig ander element dat in biomoleculen wordt aangetroffen. Incorporatie van selenium in selenoneïne, maakt het bijvoorbeeld een veel betere antioxidant dan de zwavelversie van het molecuul. Maar hoewel zwavel alomtegenwoordig is in biomoleculen, is het voorkomen van selenium veel zeldzamer en werd gedacht dat het beperkt bleef tot biopolymeren."

"De natuur heeft specifieke mechanismen ontwikkeld voor het opnemen van zwavel of selenium in natuurlijke producten, waarbij ze profiteren van de unieke eigenschappen van beide elementen via routes die specifiek zijn voor elk."

Op zoek naar selenium

Het laboratorium begon hun onderzoek in de veronderstelling dat seleniumatomen in natuurlijke producten zouden moeten voorkomen vanwege hun alomtegenwoordigheid elders. Ze vroegen, hoe zou zo'n handtekening eruit zien in microbiële genomen?

"Hoe zie je eigenlijk waar een nieuw medicijn of natuurlijk product of seleniummetaboliet is, hoe vind je het?" zei Kayrouz. "We zoeken meestal naar biosynthetische genclusters - groepen genen op het chromosoom die coderen voor de biosynthese van dergelijke moleculen. Dus als we een route hebben om een ​​seleniumbevattende verbinding te maken, moet deze door genen worden gecodeerd."

Ze implementeerden een genome mining-strategie op zoek naar genen die worden gevonden naast selD, dat codeert voor de eerste stap in alle bekende seleniumprocessen in de cel.

Vrij snel vonden ze één gen dat samen met selD was gelokaliseerd - senB genaamd - dat hun aandacht trok, vooral omdat het niet eerder betrokken was bij het metabolisme van selenium.

Nader onderzoek bracht een derde co-gelokaliseerd gen aan het licht, SenA genaamd. Kayrouz veronderstelde dat deze drie genen mogelijk betrokken zijn bij een nieuwe biosyntheseroute voor selenium.

"Eerst hebben we gedefinieerd hoe een biosynthetisch genencluster dat selenium bevat eruit zou zien," zei Seyedsayamdost. "Vervolgens gebruikten we bio-informatica om naar dergelijke genen te zoeken en identificeerden we wat we nu het 'sen-cluster' noemen in diverse microbiële genomen."

Ze waren in staat om elk van deze nieuwe genen tot expressie te brengen in Escherichia coli, en zo de hele route in een reageerbuis samen te stellen. Dit onthulde de productie van twee seleniumbevattende kleine moleculen - een selenosugar en een molecuul genaamd selenoneïne. Het onthulde ook twee enzymen die koolstof-seleniumbindingen vormen, de eerste enzymen die inwerken op biologische kleine moleculen.

"De microben stoppen niet voor niets selenium in deze verbindingen, dus er moet een interessante biologische activiteit mee gepaard gaan", zei Kayrouz. "We weten nog niet wat dat is, maar het is enorm spannend. Als biologische chemici zijn dit soort ontdekkingen waar we elke dag voor wakker worden."

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature . + Verder verkennen

Chemici synthetiseren een antimicrobiële verbinding uit onschadelijke chitine en selenium