Dat de natuur een uitstekende scheikundige is, blijkt uit de overvloed aan moleculen, zogenaamde natuurlijke producten, die ze biosynthetisch produceert. Ook voor ons mensen zijn deze natuurlijke producten van cruciaal belang. Ze worden in ons dagelijks leven op veel manieren gebruikt, vooral als actieve stoffen in de geneeskunde en in de landbouw. Prominente voorbeelden zijn antibiotica zoals penicilins geïsoleerd uit schimmels, het kankerbestrijdende medicijn Taxol van de Pacific taxusboom en pyrethrines gevonden in chrysanten, die worden gebruikt om plagen te bestrijden.

De kennis en het begrip van de biosynthetische assemblage van dergelijke verbindingen van nature is essentieel voor de ontwikkeling en productie van geneesmiddelen op basis van dergelijke verbindingen. In dit kader onderzochten onderzoekers uit de groepen van prof.dr. Tobias Gulder (TU Dresden) en prof. Tanja Gulder (Universiteit van Leipzig) gezamenlijk de biosynthese van cyanobacterine, dat zeer toxisch is voor fotosynthetische organismen en in kleine hoeveelheden in de natuur wordt geproduceerd door de cyanobacterie Scytonema hofmanni. In hun werk waren de (bio)chemici niet alleen in staat om voor het eerst de biosynthese van het natuurlijke product op te helderen, maar ontdekten ze ook een nieuwe enzymatische transformatie voor de vorming van koolstof-koolstofbindingen.

Dit werk is mogelijk gemaakt door het combineren van moderne tools uit de bio-informatica, synthetische biologie, enzymologie en (bio)chemische analyse. De focus lag op hoe het centrale deel van het cyanobacterine koolstofskelet wordt geproduceerd. De vermeende genen hiervoor werden eerst gekloond met de methode van "Direct Pathway Cloning" (DiPaC) en vervolgens geactiveerd in het modelorganisme E. coli als een celfabriek.

DiPaC is een nieuwe synthetische-biologische methode die eerder is ontwikkeld in het laboratorium van Tobias Gulder, hoogleraar Technische Biochemie aan de TU Dresden. "DiPaC stelt ons in staat om heel snel en efficiënt volledige biosynthetische routes van natuurlijke producten over te brengen naar recombinante gastheersystemen", legt Tobias Gulder uit.

In de volgende stap analyseerde het onderzoeksteam de essentiële individuele stappen van de biosynthese van cyanobacterine door bovendien alle sleutelenzymen in het gastheerorganisme E.coli te produceren, ze te isoleren en vervolgens de functie van elk enzym te onderzoeken. Daarbij kwamen ze een voorheen onbekende klasse enzymen tegen, furanolidesynthasen genaamd. Deze zijn in staat om de vorming van koolstof-koolstofbindingen te katalyseren volgens een ongebruikelijk mechanisme. In verdere studies van deze furanolidesynthasen bleken deze enzymen efficiënte in vitro biokatalysatoren te zijn, waardoor ze zeer aantrekkelijk zijn voor biotechnologische toepassingen.

"Met de furanolidesynthasen hebben we een enzymatisch hulpmiddel verkregen waarmee we in de toekomst milieuvriendelijkere methoden kunnen ontwikkelen voor de productie van bioactieve stoffen en zo een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan een duurzamere chemie", legt prof. Tanja Gulder van de Instituut voor Organische Chemie aan de Universiteit van Leipzig.

Vervolgens willen de twee onderzoeksteams specifiek naar deze nieuwe biokatalysatoren zoeken in andere organismen, en zo nieuwe bioactieve leden van deze klasse van natuurlijke producten vinden, evenals methoden ontwikkelen voor de biotechnologische productie en structurele diversificatie van cyanobacterine. "Ons werk maakt de weg vrij voor de uitgebreide ontwikkeling van een opwindende klasse van natuurlijke producten voor toepassingen in de geneeskunde en de landbouw", zijn de twee wetenschappers het erover eens.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Chemical Biology . + Verder verkennen

Cyanobacteriën:kleine kandidaten als grote hoop voor geneeskunde en biotechnologie