De bouwstenen voor nieuwe medicijnen die bacteriën helpen bestrijden die resistent zijn tegen bijvoorbeeld bekende antibiotica moeten zo kosteneffectief en milieuvriendelijk mogelijk zijn. Enzymen zijn hiervoor ideaal. Ze kunnen bijvoorbeeld verschillende componenten van actieve stoffen produceren of combineren.

In zijn masterscriptie bij de groep Microbiële Biotechnologie aan de Ruhr Universiteit Bochum karakteriseerde Simon Schröder een enzym in meer detail dat in staat is een gewenste stikstof-stikstofbinding in moleculen te vormen. Hij vond ook andere enzymen die dit kunnen doen. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Molecular Catalysis .

Bouwstenen beperken het ontwerp van nieuwe werkzame stoffen

Onderzoekers zijn voortdurend in concurrentie met schadelijke micro-organismen die resistentie tegen antibiotica ontwikkelen. In de zoektocht naar nieuwe werkzame stoffen proberen ze traditioneel micro-organismen uit de natuur te isoleren die antibioticagedrag vertonen. Vervolgens identificeren ze de verantwoordelijke stoffen en bestuderen ze hun functie. Tegenwoordig wordt dit proces aangevuld met computerondersteunde methoden die het mogelijk maken om op maat gemaakte nieuwe moleculen te ontwerpen die specifieke effecten hebben op organismen en hun metabolische processen.

"Het ontwerp en de productie van dergelijke kunstmatige verbindingen wordt echter vaak beperkt door de precursormoleculen of bouwstenen die beschikbaar zijn voor de productie ervan", legt Schröder uit. Idealiter zou hun productieproces economisch en ecologisch moeten zijn, bijvoorbeeld door gebruik te maken van micro-organismen of hun katalytische enzymen. De uitbreiding van het modulaire systeem van beschikbare moleculen om nieuwe medicijnen te produceren is daarom navenant belangrijk en interessant.

De gewenste band gemakkelijker toegankelijk maken

"We werken aan de productie van een specifiek type van dergelijke moleculen", legt Schröder uit. In 2017 werd een enzym geïsoleerd dat de stikstof-stikstofbinding in moleculen kan vormen, wat zelden in de natuur voorkomt. Er is echter nog heel weinig bekend over dit enzym met de systematische naam "KtzT":hoe werkt het? In welke verbindingen kan het deze binding vormen? Is het geschikt om farmaceutisch relevante moleculen te produceren?

"Aanvankelijk konden we de productie en isolatie van dit enzym in het laboratorium met een factor 35 verbeteren", meldt Schröder. "Dit stelde ons in staat KtzT te karakteriseren, d.w.z. de optimale reactieomstandigheden te identificeren:bij welke temperatuur, welke pH-waarde werkt het het beste en hoe stabiel is het onder een breed scala aan omstandigheden?"

Het onderzoeksteam heeft ook KtzT-achtige enzymen gevonden en geïsoleerd en aangetoond dat ze ook de reactie kunnen katalyseren. "We konden ook een meerstapsreactie met verschillende enzymen implementeren, waardoor de stikstof-stikstofbinding nog gemakkelijker toegankelijk werd", zegt Schröder.

Hij gebruikte onder meer bio-informaticamethoden om een ​​structureel model van het enzym te ontwikkelen, waarmee hypothesen kunnen worden opgesteld over het reactiemechanisme en het enzym specifiek kan worden aangepast, zodat het ook in andere verbindingen de stikstof-stikstofbinding kan vormen.

Meer informatie: Simon Schröder et al, Verbetering van de vorming van biokatalytische N-N-bindingen met het actinobacteriële piperazaatsynthase KtzT, Moleculaire katalyse (2023). DOI:10.1016/j.mcat.2023.113733

Aangeboden door Ruhr-Universitaet-Bochum