微生物是生物分子世界的主廚; 總的來說，它們具有產(chǎn)生大量未知物質(zhì)的能力，其中一些物質(zhì)可能具有治療或其他有用的特性。在尋找有用的產(chǎn)品時，伊利諾伊州的化學(xué)家團隊發(fā)現(xiàn)了一種全新的微生物配方。
“這些酶正在做的反應(yīng)是令人難以置信的......當我們次看到它們時，我們正在摸不著頭腦，”霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所(HHMI)研究員Wilfred van der Donk說，他領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。“然后我們必須煞費苦心地證明我們認為酶正在做的反應(yīng)確實已經(jīng)完成了。”
Van der Donk，也是Richard E. Heckert資源化學(xué)主席，以及他在伊利諾伊州的同事與HHMI調(diào)查員和加州大學(xué)洛杉磯分校生物化學(xué)和生理學(xué)教授Tamir Gonen的實驗室合作，確認他們的研究結(jié)果，本周發(fā)表在“ 科學(xué)”雜志上。這項工作得到了HHMI和國立衛(wèi)生研究院的支持。
作者Chi Ting和van der Donk是Carl R. Woese基因組生物學(xué)研究小組的成員，該研究小組旨在通過探索基因組來發(fā)現(xiàn)新的天然產(chǎn)物 - 微生物產(chǎn)生的潛在有用物質(zhì)，這一戰(zhàn)略被稱為基因組挖掘。
“基因組挖掘可以讓你開始尋找你根本不知道它們會是什么的化合物，”van der Donk說。“[我們團隊]的許多實驗室都試圖通過基因組挖掘找到新的抗生素......你尋找不尋常的東西，我們不知道正在制造什么，然后你試著讓這種化合物在一個友好的有機體中生長。”
細胞使用稱為氨基酸的特殊化學(xué)成分來制造蛋白質(zhì)，這是生物的主要結(jié)構(gòu)和內(nèi)部機器。蛋白質(zhì)是由20種不同類型的氨基酸組成的長鏈; 肽是較短的鏈。一些類型的微生物天然產(chǎn)物由裝飾有售后市場化學(xué)部件的小肽形成。
蛋白質(zhì)和大多數(shù)肽由核糖體組裝而成，這些巨型蜂窩機器就像面包店里的糕點廚師一樣。根據(jù)基因編寫的食譜，核糖體可以將任何氨基酸序列連接在一起; 核糖體是有效和多功能的。其他基于肽的天然產(chǎn)品是由專門的酶組成的，它們像一個家庭面包師，用心臟學(xué)習(xí)的喜歡的食譜 - 這些酶不遵循模板，而是一遍又一遍地創(chuàng)建相同類型的聯(lián)xi和修改只制作一種產(chǎn)品。
“在天然產(chǎn)物的生物合成中，這兩種途徑都被用來制造天然產(chǎn)品，”van der Donk說。“現(xiàn)在，我們偶然發(fā)現(xiàn)了兩者都具有特色的東西。”
研究人員在研究感染植物的細菌Pseudomonas syringae中發(fā)現(xiàn)的一組基因時發(fā)現(xiàn)了他們意想不到的發(fā)現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)他們的基因簇包括一個保存由核糖體制備的肽的信息，而另一個編碼可以在肽鏈上添加另一個氨基酸的酶。糕點廚師正在組裝面團制作面包，但將其交給家庭面包師完成準備。
“回想起來，這只是一種非常聰明的做事方式，”van der Donk說。“擁有一種可以對預(yù)先存在的肽進行此操作的酶意味著現(xiàn)在......你可以將它用作支架，并且只是一次又一次地制造自然產(chǎn)品。”
他們在假單胞菌中發(fā)現(xiàn)的合成方法的類型以這種方式起作用，因為一旦將新的氨基酸添加到肽中，它就會在一系列步驟中被修飾然后被破壞，使原始核糖體產(chǎn)生的肽返回到起始步驟。通過這種方式，它有點像酸面團的首fa。只要它保持活動狀態(tài)，就不需要從頭開始重新創(chuàng)建每個后續(xù)批次的面包。
為了充分描述他們的天然產(chǎn)品及其合成，van der Donk的團隊希望更好地了解其結(jié)構(gòu)。然而，證明該分子太不穩(wěn)定而不能使用傳統(tǒng)技術(shù)。研究人員向Gonen伸出援手，Gonen的實驗室近采用了的方法 - 使用電子顯微鏡對閃蒸冷凍的純化物質(zhì)微晶 - 來確定小分子的結(jié)構(gòu)。
“一旦你制造了天然產(chǎn)品，現(xiàn)在你需要弄清楚它是什么......我們的合作者想要展示這種方法對于一種未知的天然來源分子的效用，”van der Donk說。“對于這兩個實驗室來說，這確實是一個雙贏的局面。我認為整個天然產(chǎn)品社區(qū)可能都希望開始使用這種技術(shù)。”
現(xiàn)在van der Donk和他的團隊意識到這種替代合成途徑的存在，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了類似機制的其他例子，包括土壤微生物產(chǎn)生抗腫瘤化合物。除了擴大識別產(chǎn)生有前景的天然產(chǎn)物的基因簇的能力之外，研究人員還興奮地尋找新的途徑來使用途徑。
“我們也很興奮能夠?qū)⑺糜诤铣缮飳W(xué)，”van der Donk說。“因為開銷，制造天然產(chǎn)品所需的資源量在這里相當?shù)?。你制造這種肽，一些酶，然后滾出一種抗腫瘤化合物... ...有很多現(xiàn)在對工程菌具有抗癌活性的興趣，這對于讓有機體為你制造分子來說是相對低調(diào)的果實。“
