Genome mining offenbart neuartige Produktion Weg für vielversprechender malaria-Behandlung

Mikroben sind bekannt unter Biologen als master-Ingenieure der nützliche kleine Moleküle, und es gibt viele tricks des Handels. Wenn Forscher an der Universität von Illinois nahm einen genaueren Blick auf, wie eine bekannte Mikrobe macht eine bekannte so genannte natürliches Produkt, Sie wurden belohnt mit der Entdeckung eines völlig unbekannten biochemischen trick.

G. William Arends Professor für Molekular-und Zellbiologie an der Universität von Illinois, William Metcalf führte die Studie mit dem damaligen post-doc-Forscherin Elizabeth (Betsy) Parkinson. Parkinson ist jetzt assistant professor für Chemie an der Purdue University. Metcalf, Parkinson und Koautoren berichten über Ihre Arbeit, die unterstützt wurde durch die NIH, in der Natur-Chemischen Biologie.

Die Arbeit begann mit einer überraschung: die Forscher erkunden, wie Ihre Mikroben von Interesse, Streptomyces lavendulae, schafft eine Chemikalie namens fosmidomycin. Das team war interessiert, wie diese Verbindung wird erstellt, in Teil, weil es einen antimikrobiellen Wirkstoff, der wirksam ist gegen malaria, eine Moskito-getragene Krankheit, die tötet Hunderte von tausenden von Menschen jedes Jahr. Wie erwartet, S. lavendulae hat produzieren eine Substanz, die Mikroben getötet — aber es war nicht fosmidomycin.

„Die meisten interessanten Sachen Forschung ist, wo Sie eine Frage und bekommen Sie eine völlig unerwartete Antwort,“ Metcalf sagte. „Etwas so ausfallen, wie wir es erwartet haben; das ist toll!“

Weitere überraschungen folgten schnell. Das team verfolgt das Bakterium tötet Befugnisse zur Produktion einer verwandten Molekül, dehydrofosmidomycin, ein bekanntes natürliches Produkt, dass vielleicht sogar etwas besser als fosmidomycin für die Behandlung von malaria. Aber die Gene, S. lavendulae mit zu machen dehydrofosmidomycin waren völlig anders als jene in anderen Mikroben.

„Es ist sehr ähnlich wie eine andere Klasse von Molekülen, die wir gearbeitet haben in der Vergangenheit nahezu identisch, chemisch und strukturell, aber der biosynthetischen Weg und die Gene, die ganz anders sind,“ Metcalf sagte. „Was, wenn Sie denken über die evolution und wie Sie es bekommen, das ist faszinierend, dass diese Moleküle sind so gut, dass die Natur unabhängig voneinander entdeckt, es mehrere Male.“

Mikroben entwickeln die Fähigkeit, Natürliche Produkte wie fosmidomycin und dehydrofosmidomycin, um Ihnen zu helfen outcompete benachbarten Mikroben für Raum und Ressourcen. Jedes Natürliche Produkt ist chemisch gestaltete, durch eine Reihe von Proteine, so genannte Enzyme, die abwechselnd optimieren der wachsenden Molekül durch hinzufügen oder entfernen von Atomen, um seine Form zu ändern und Aktivität. Mikrobielle Genome sind übersät mit Clustern von Genen, die diese Enzyme, die mit einem cluster-in der Regel mit allen Genen, die notwendig für die Herstellung von einem natürlichen Produkt.

Metcalf ‚ s Labor und andere Forscher an der Carl R. Woese Institut für Genomische Biologie, Universität von Illinois erkunden möchten, die Beziehung zwischen der mikrobiellen natürlichen Produkte und die gen-Cluster, die damit Ihre Produktion. Indem Sie lernen zu erkennen, welche Gene führen, welche Arten von Produkten, die Sie hoffen, verwenden Sie die Genom-Sequenzierung um die Geschwindigkeit der Entdeckung neuer natürlicher Produkte, wie fosmidomycin und Verwandte Moleküle, können wesentliche therapeutische Eigenschaften.

Metcalf war besonders aufgeregt, um zu sehen, eine vertraute Art des Moleküls durch ein unbekanntes gen-cluster.

„Der technische Begriff konvergente evolution hin zu einem chemischen Produkt,“ Metcalf sagte. „Und dass sagt Sie . . . dass es eine wirklich gute Molekül. Es tut, was die Natur will, es zu tun: es ist eine antibakterielle und es tötet auch Parasiten, wie malaria und Pflanzen, wie Unkraut, es ist wirklich eine Menge von Anwendungen. Es ist völlig ungiftig für Mensch, das ist schön.“

Die Forscher vertiefte mich in die details der neuen gen-cluster und die chemischen Reaktionen erleichtert durch seine Enzyme. Sie rekonstruiert und experimentell bestätigt eine Reihe von Schritten, die von den Start – „Zutaten“, um das fertige Produkt.

„Also, warum kümmern Sie sich darüber, wie Moleküle, wie dies gemacht werden? . . . Eine wirklich gute biotechnologisch Weg, es ist der billigste Weg, um etwas,“ Metcalf sagte. „Dies bietet einen weiteren Weg, um das gleiche Molekül, das möglicherweise eine effizientere route ist, könnte ein günstiger Weg, der ist, muss noch erforscht werden.“

Das highlight des neu entdeckten Signalwegs wurde ein Enzym kodiert durch das gen dfmD. Sein name erinnert an einen library-call-Nummer gewählt und von den Forschern, um auf seine position in der dehydrofosmidomycin-produzierenden gen-cluster, täuscht über die Neuheit einer chemischen Reaktion, die das Enzym erleichtert.

„Sie brechen zwei Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen, Sie reform eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung, und Sie oxidieren eine weitere Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung. Und Sie tun, dass alle in einem Schritt,“ Metcalf sagte. In anderen Worten, das Enzym, bricht ein Stück von dem größeren Molekül, dreht ihn um, überwacht Sie und zwickt das resultierende Produkt, die alle in der einzigen kontinuierlichen Aktion, Analog zu einer person ändern Sitz-Konfigurationen in einem minivan kommerziellen.

„In einfachen Worten, was dfmD macht, ist eine Chemische Reaktion, das ist nicht einfach, sich vorzustellen, Sie die Nummer eins, nur basierend auf den ersten Prinzipien der Chemie; und Nummer zwei, das ist noch nie beobachtet worden, die in der Natur vor,“ Metcalf sagte. „Denn dieser tut etwas, das radikal anders, er fügt zu, dass der Körper des Wissens so, dass, wenn wir den Blick auf neue Wege, wir können darüber nachdenken, wie Sie arbeiten könnte.“