Mikroben sind die Meisterköche von biomolekularen Welt; gemeinsam beherbergen Sie die Fähigkeit, zu produzieren eine Vielzahl von unbekannten Substanzen, von denen einige möglicherweise therapeutische oder andere nützliche Eigenschaften. Bei der Suche nach nützlichen Produkten, ein team von Chemikern an der Illinois haben entdeckt, eine ganz neue Klasse von mikrobiellen Rezepte.
„Die Art der Reaktionen, die diese Enzyme dabei sind irrsinnig . . . wenn wir zuerst sahen, waren wir kratzen unsere Köpfe,“ sagte Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Investigator Wilfred van der Donk, der die Studie leitete. „Dann mussten wir mühsam beweisen, dass die Reaktionen, die wir gedacht haben, die Enzyme Taten, werden tatsächlich durchgeführt.“
Van der Donk, der auch Richard E. Heckert-Stiftungsprofessur für Chemie, und seine Kollegen an der Illinois Zusammenarbeit mit dem Labor von HHMI Ermittler und University of California, Los Angeles Professor für Biologische Chemie und Physiologie Tamir Gonen um Ihre Ergebnisse zu bestätigen, wurden diese Woche veröffentlicht in der Wissenschaft. Die Arbeit wurde unterstützt durch HHMI und die Nationalen Institute der Gesundheit.
Der erste Autor Chi-Ting und van der Donk sind Mitglieder einer Forschungsgruppe an der Carl R. Woese Institut für Genomische Biologie, die darauf abzielt, entdecken Sie neue Produkte — die potenziell nützliche Substanzen von Mikroben produzierte — durch die Erforschung Ihrer Genome, eine Strategie mit dem Titel “ genome mining.
„Genome mining ermöglicht es Ihnen, zu Beginn der Suche für verbindungen, in denen Sie absolut keine Ahnung haben, was Sie gehen zu sein,“ van der Donk, sagte. „Viele Labors in [unser team] zu finden versuchen, um neue Antibiotika durch genome mining . . . Sie suchen für ungewöhnliche Dinge, wo wir nicht wissen, was gemacht wird, und dann Sie versuchen, die Verbindung in einer freundlichen Organismus.“
Zellen mit speziellen chemischen Substanzen genannt Aminosäuren zu erstellen, die Proteine, die die wichtigsten Struktur-und interne Maschinen von Lebewesen. Proteine sind lange Ketten aus bis zu zwanzig verschiedene Arten von Aminosäuren; Peptide sind in der kürzeren Ketten. Einige Arten von natürlichen mikrobiellen Produkte werden gebildet aus kleinen Peptiden verziert mit aftermarket-chemischen Teile.
Proteine und die meisten Peptide werden zusammengesetzt, indem Ribosomen, Riesen zelluläre Maschinen, die handeln, wie die Konditoren in einer Bäckerei. Die folgenden Rezepte geschrieben in Genen, Ribosomen können eine Verknüpfung mit der gemeinsamen Sequenz der Aminosäuren; Ribosomen sind effizient und vielseitig. Weitere Peptid-basierte Natürliche Produkte sind durch teams von spezialisierten Enzymen, die wirken wie ein Haus Bäcker mit einem Lieblings-Rezept auswendig gelernt — diese Enzyme Folgen nicht einer Vorlage, anstatt zu erstellen, die gleichen Arten von verbindungen und Modifikationen über und über zu machen, nur ein Produkt.
„In natural product biosynthesis, beide Wege werden verwendet, um Natürliche Produkte“, so van der Donk, sagte. „Und nun stolperten wir über etwas, das Eigenschaften von beiden.“
Die Forscher machten Ihre unerwartete Entdeckung bei der Untersuchung eines Clusters von Genen gefunden, die in das Bakterium Pseudomonas syringae, das Pflanzen infiziert. Sie hatten herausgefunden, dass Ihre cluster von Genen enthalten, dass die Informationen, die für ein Peptid von einem Ribosom, während eine andere kodiert für ein Enzym, das könnte hinzufügen, eine weitere Aminosäure, die auf die Peptid-Kette. Der Konditor war die Montage ein Teig, Brot zu machen, aber übergab Sie in ein Heim baker zu beenden Vorbereitung.
„Im Nachhinein ist es nur eine wirklich clevere Art und Weise, Dinge zu tun,“ van der Donk, sagte. „Dass ein Enzym, die dies tun können, um einen bereits vorhandenen Peptid bedeutet, dass jetzt . . . Sie können es als Gerüst, und nur zu halten, so dass die Natürliche Produkt immer und immer wieder.“
Die Art der synthetischen Prozess entdeckten Sie in Pseudomonas funktioniert auf diese Weise, weil, sobald die neue Aminosäure Hinzugefügt wird, um das Peptid, es ist geändert in einer Reihe von Schritten, und dann abgebrochen, Rücksendung der original-ribosomally-erstellt Peptid-zurück an den Start-Schritt. Auf diese Weise, es ist ein bisschen wie Sauerteig. Wie lange bleibt es aktiv, es muss nicht von Grund auf neu erstellt, um jede spätere Backen des Brotes.
Um vollständig zu beschreiben, Ihre natürlichen Produkt und seine Synthese, van der Donk das team wollte einen besseren Blick auf seine Struktur. Jedoch ist das Molekül erwies sich als zu instabil, um unter Verwendung herkömmlicher Techniken. Die Forscher erreichten Gonen, dessen Labor hatte vor kurzem angewendet eine cutting-edge-Ansatz-mit Hilfe der Elektronen-Mikroskopie, die auf flash-frozen mikrokristalle des gereinigten Stoffe — für die Bestimmung der Strukturen von kleinen Molekülen.
„Sobald du das gemacht hast Naturprodukt, jetzt müssen Sie herausfinden, was es ist . . . Unsere Mitarbeiter zeigen wollte, die Nützlichkeit dieser Methode für ein unbekanntes Molekül natürlichen Ursprungs,“ van der Donk, sagte. „Das war wirklich eine win-win-situation für beide Labore. Ich denke, die ganze Natürliche Produkte community wird wahrscheinlich wollen, um zu starten mit dieser Technik.“
Nun, dass van der Donk und sein team sind sich der Existenz dieser alternative Stoffwechselweg für die Synthese, Sie haben bereits gefunden, andere Beispiele von ähnlichen Mechanismen, einschließlich der Herstellung eines anti-tumor-Verbindung, die durch eine Boden-Mikrobe. Neben der Erweiterung der Fähigkeit zum erkennen von gen-Clustern, die vielversprechende Naturstoffe, die Forscher sind begeistert über die Suche nach neuen Möglichkeiten, um Weg zu verwenden.
„Wir sind auch gespannt, wie wir möglicherweise in der Lage, verwenden Sie diese für die synthetische Biologie,“ van der Donk, sagte. „Da der Aufwand, die Menge der Ressourcen, die gehen zu machen ein natürliches Produkt, das ist ziemlich niedrig hier. Sie machen dieses Peptid, ein paar Enzymen, und heraus kommt ein rolling anti-tumor-Verbindung . . . Es gibt eine Menge von Interesse, jetzt in engineering-Bakterien, anti-Krebs-Aktivität, und diese ist relativ niedrig hängende Frucht mit Bezug zu machen die Organismus machen die Moleküle für Sie.“