Die ersten Bilder von Enzym, das treibt neue Klasse von Antibiotika: Die nächste „der verzauberte ring“ gefunden werden konnte, der mit obafluorin, ein Breitband-Antibiotikum aus der Natur

Zu verstehen, wie Antibiotika Gerüste sind aufgebaut, die in der Natur den Wissenschaftlern helfen kann, die Aussicht auf neue Klassen von Antibiotika durch DNA-Sequenzierung und Genom-mining. Forscher haben verwendet dieses wissen, um zu helfen lösen Sie die X-ray-Kristallstruktur des Enzyms, das macht obafluorin — ein Breitband-Antibiotikum, agent gemacht durch ein fluoreszierendes Belastung von Boden-Bakterien. Die neue Arbeit von der Washington University in St. Louis und der University at Buffalo veröffentlicht 31. Juli in der Zeitschrift Nature Communications.

Ein multi-Teil-Enzym genannt nonribosomal peptide synthetase produziert die hoch reaktiven beta-lactone-ring, der verantwortlich ist für obafluorin die antimikrobielle Aktivität.

„Obafluorin hat eine neuartige Struktur im Vergleich zu allen von der FDA zugelassene Antibiotika,“ sagte Timothy Wencewicz, assistant professor der Chemie in den Künsten & Wissenschaften. „Langfristig brauchen wir wirklich neue strukturelle Klassen von Antibiotika, die noch nie verunreinigt worden, die von der klinischen Widerstand von etablierten Antibiotika-Klassen.“

Diese Chemikalien könnten die next-generation-Antibiotika für den Menschen, oder sogar zum Wohle der Landwirtschaft, Wencewicz erwähnt — wie die Forscher Streben danach, Ingenieur Saatgutbehandlung und biopesticides zur Unterstützung von Anlagen in der Lage, genug Nahrung zu füttern 9.6 Milliarden Menschen projiziert, um auf diesem Planeten Leben, bis 2050.

Das neue Werk bietet eine nützliche Straßenkarte, die zeigt, wie die einzelnen protein-Domänen in der ObiF1 Enzym zusammengenäht sind im drei-dimensionalen Raum. Ein Enzym die Struktur ist von grundlegender Bedeutung, um fast jede Funktion, die Sie erfüllt.

„Die Lösung dieser Struktur baut auf früheren Entdeckungen zu bieten Ausblicke auf die molekularen Interaktionen zwischen der katalytischen Domänen in einer neuen Weise,“, sagte Andrew M. Gulick, associate professor in der Abteilung der strukturellen Biologie an der Jacobs School of Medicine und Biomedical Sciences an der University at Buffalo. „Dies ist eine völlig neue Klasse von verbindungen, und wir hatten noch nie die molekulare vision zu schätzen wissen, wie Sie produziert werden.“

Pinning ein neues Antibiotikum aus der Natur

Obafluorin erfolgt durch ein Fluoreszenz-Belastung des Bodens Bakterien Formen Biofilme, die auf den Wurzeln der pflanze. Obafluorin wurde ursprünglich 1984 entdeckt, aber es war nicht bis 2017, die Wencewicz aufgedeckt der genetische bauplan des Enzyms, das macht das Molekül ist die bio-aktiven Komponenten. Diese Entdeckung markiert das erste mal, dass jeder war in der Lage, pin-down-beta-Lacton bildendes Enzym aus der Natur, und lassen Sie in das Labor.

Wie penicillin, obafluorin hat einen vier-gliedrigen ring — manchmal genannt einen verzauberten ring. Ein vier-gliedrigen ring belastet bond Winkel, die Kohlenstoff, bevorzugt zu übernehmen. Aber weil eine vierköpfige ring ist instabil, diese Moleküle sind auch kurzlebig und schwer zu machen. Zum Beispiel, dauerte es Jahre für die Apotheke zu lernen, wie zu synthetisieren penicillin von Chemikalien und dann herausfinden, wie Pilze es schaffen. Dies führte letztlich zu der globalen Produktion von penicillin durch fermentation.

Forscher in der Wencewicz Labor in der Lage waren, um fast-track der discovery-Prozess mit der Genetik zu null in die Biosynthese-Maschinerie, die Bakterien zu verwenden, um obafluorin, und dann zu rekonstruieren, die multi-Schritt-Enzym-katalysierte Prozess im Labor.

Gefangen ‚in der Handlung‘

Für Ihre neue Arbeit, Wencewicz und Gulick, zusammen mit post-doc-Forscher Dale F. Kreitler (UB) und graduate-Studenten Jason E. Schaffer und Erin M. Gemmell (Washington University), zugeordnet, die in voller Länge in nonribosomal peptide synthetase (NRP), die die bio-aktiven Komponenten von obafluorin.

Gulick ist ein Experte in der NRP-Systeme und veröffentlichte viele der bahnbrechenden Kristall-Strukturen der Kern-Stück dieser Enzyme, sowie Strukturen für die volle-Länge-Systeme wie die in dieser Arbeit.

Das Ergebnis ist eine umfassende, detaillierte molekulare Struktur bei 3 Angström-Auflösung, der einem ermöglicht, zu identifizieren, die die Atome in dem protein-Kette, finden Sie Ihren Standort und Ansprechpartner entlang der Kette, und bestimmen, wie die Teile zusammengesetzt werden, zu nützlichen Moleküle, die von Anfang bis Ende.

„Wir waren in der Lage zu fangen einige der Bausteine, der Moleküle gefangen in einige der Enzym-aktiv-Seiten — in der Tat der Chemie,“ Wencewicz sagte. „Dies hat uns geholfen, schließen kleine Moleküle an das protein, und füllen Sie einige der mechanistischen Lücken, wie die Moleküle erzeugt werden.“

Diese Art von Ansicht ist besonders wichtig für die Zukunft Ziel der Schaffung einer chemischen Bibliothek, gefüllt mit den zugehörigen beta-lactone compounds wurden entwickelt um die wohltuende verwendet.

„Wir haben auch einen sehr interessanten Einblick, wie die Domänen des proteins miteinander reden,“ Wencewicz sagte. Die Kristall-Strukturen erlaubt Ihnen, zu sehen, wie die wichtigsten Komponenten des Enzym-dock zu einander, und wie sind diese Moleküle effizient zog sich durch die gesamte NRP Fließband.

Eine Besondere Komponente-etwas genannt, ein MbtH-artigen protein-oder MLP, weil es zuerst gekennzeichnet wurde, in einem entsprechenden Anlage zur Herstellung von mycobactin in die Bakterien, die bewirkt, Tuberkulose — gezeigt wurde, spielen Sie eine kritische Rolle bei der Erleichterung der protein-zu-protein-Interaktionen zwischen der katalytischen Domänen.

„Stellt sich heraus, die (Gesamt -) protein leidet weitgehend, wenn Sie nehmen dieses sehr wenig protein, das die kritische handshake“, sagte er. „Es zeigte uns mal wieder, dass die Koordination dieser Bereiche ist absolut entscheidend für die Funktion der Herstellung von Antibiotika mit diesem Enzym.“

Als ganzes genommen, das neue Papier ist einzigartig in seiner Reichweite ist, sagten die Forscher, präsentiert die X-ray crystal structure of the complete obafluorin-Synthese-Enzym ObiF1, die Erforschung der molekularen Mechanismen, die für verschiedene wichtige Schritte im katalytischen Zyklus, und die Feststellung der erhaltenen Rückstände, mit denen die Bildung der reaktiven beta-Lacton-ring.

Ein wichtiger Schritt in einem langen Prozess

Suche ein Antibiotikum, das aus einer Quelle in der Natur ist nur ein Erster Schritt in einem langen Prozess der Arzneimittelentwicklung. Mit der Struktur und Techniken berichtet in diesem neuen Papier, ist es nun möglich, schnell und einfach zu erstellen Analoga des natürlichen Produktes im Labor — zu optimieren Ihrer molekularen Eigenschaften und der biologischen Aktivität.

Gulick und Wencewicz planen, auch weiterhin Ihr wissen anwenden des obafluorin biosynthetischen Weg zu entdecken neue beta-Lacton Natürliche Produkte mit genomischen und biochemischen Ansätzen.

„Angesichts der strukturellen Vielfalt der bekannten beta-Lacton Natürliche Produkte, wir glauben, dass Roman beta-Lacton-synthasen bleiben entdeckt zu werden,“ Wencewicz sagte.

Washington University abgelegt hat, für einen US utility patent für diese Technologie.