微生物是生物分子世界的主廚; 總的來(lái)說(shuō)，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(shí)，伊利諾伊州的化學(xué)家團(tuán)隊(duì)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(dāng)我們次看到它們時(shí)，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(shuō)，他領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。“然后我們必須煞費(fèi)苦心地證明我們認(rèn)為酶正在做的反應(yīng)確實(shí)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(shí)驗(yàn)室合作，確認(rèn)他們的研究結(jié)果，本周發(fā)表在“ 科學(xué)”雜志上。這項(xiàng)工作得到了HHMI和國(guó)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(guò)探索基因組來(lái)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(chēng)為基因組挖掘。
“基因組挖掘可以讓你開(kāi)始尋找你根本不知道它們會(huì)是什么的化合物，”van der Donk說(shuō)。“[我們團(tuán)隊(duì)]的許多實(shí)驗(yàn)室都試圖通過(guò)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(gè)友好的有機(jī)體中生長(zhǎng)。”
細(xì)胞使用稱(chēng)為氨基酸的特殊化學(xué)成分來(lái)制造蛋白質(zhì)，這是生物的主要結(jié)構(gòu)和內(nèi)部機(jī)器。蛋白質(zhì)是由20種不同類(lèi)型的氨基酸組成的長(zhǎng)鏈; 肽是較短的鏈。一些類(lèi)型的微生物天然產(chǎn)物由裝飾有售后市場(chǎng)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(jī)器就像面包店里的糕點(diǎn)廚師一樣。根據(jù)基因編寫(xiě)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(zhuān)門(mén)的酶組成的，它們像一個(gè)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(lèi)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(lái)制造天然產(chǎn)品，”van der Donk說(shuō)。“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(xì)菌Pseudomonas syringae中發(fā)現(xiàn)的一組基因時(shí)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(gè)保存由核糖體制備的肽的信息，而另一個(gè)編碼可以在肽鏈上添加另一個(gè)氨基酸的酶。糕點(diǎn)廚師正在組裝面團(tuán)制作面包，但將其交給家庭面包師完成準(zhǔn)備。
“回想起來(lái)，這只是一種非常聰明的做事方式，”van der Donk說(shuō)。“擁有一種可以對(duì)預(yù)先存在的肽進(jìn)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?cè)诩賳伟邪l(fā)現(xiàn)的合成方法的類(lèi)型以這種方式起作用，因?yàn)橐坏⑿碌陌被崽砑拥诫闹?，它就?huì)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(guò)這種方式，它有點(diǎn)像酸面團(tuán)的首fa。只要它保持活動(dòng)狀態(tài)，就不需要從頭開(kāi)始重新創(chuàng)建每個(gè)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(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室近采用了的方法 - 使用電子顯微鏡對(duì)閃蒸冷凍的純化物質(zhì)微晶 - 來(lái)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(duì)于一種未知的天然來(lái)源分子的效用，”van der Donk說(shuō)。“對(duì)于這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，這確實(shí)是一個(gè)雙贏的局面。我認(rèn)為整個(gè)天然產(chǎn)品社區(qū)可能都希望開(kāi)始使用這種技術(shù)。”
現(xiàn)在van der Donk和他的團(tuán)隊(duì)意識(shí)到這種替代合成途徑的存在，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似機(jī)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(kuò)大識(shí)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(lái)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(shuō)。“因?yàn)殚_(kāi)銷(xiāo)，制造天然產(chǎn)品所需的資源量在這里相當(dāng)?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(duì)工程菌具有抗癌活性的興趣，這對(duì)于讓有機(jī)體為你制造分子來(lái)說(shuō)是相對(duì)低調(diào)的果實(shí)。“
