Virginiamisin M düzeneğinde biyosentetik parlaklık ve hatalar

Poliketidler, bakteriler de dahil olmak üzere birçok organizma türü tarafından yapılan oldukça karmaşık küçük moleküllerdir.1. Bu tip özelleşmiş metabolitlerle ilgileniyoruz çünkü çok sayıda poliketid klinikte, özellikle ön hat antibiyotikler ve anti-kanser ilaçları olarak konuşlandırılıyor.2,3. Öne çıkan bir örnek, Streptomycestüretilmiş virginiamisin M4değiştirilmiş (yarı sentetik) bir formu, çok dirençli bakteriyel enfeksiyonlarla savaşmak için Synercid® kombinasyon terapisinde kullanılır.

Poliketidlerin bir başka dikkat çekici özelliği de nasıl inşa edildikleri. Sorumlu mega enzimler – poliketid sentazlar (PKS’ler) – tüm Doğadaki en büyük ve en karmaşık katalizörler arasındadır.5. Daha da şaşırtıcı olanı, PKS’ler moleküler ölçekli montaj hatları gibi davranır, çünkü metabolitlerin oluşturulmasındaki her görev proteinlerin ‘etki alanı’ adı verilen özel bir bölgesi tarafından gerçekleştirilir.1. Spesifik olarak, poliketid yapısındaki her aşama için, bir sonraki yapı taşını seçen bir alan, onu büyüyen zincire ekleyen bir alan ve son ürünü oluşturmak için fonksiyonel gruplarla kimyasal olarak kurcalayan değişken sayıda alan vardır. Tüm bu adımlar boyunca poliketit, asil taşıyıcı proteinler (ACP’ler) adı verilen küçük, katalitik olmayan alanlara bağlı kalır. Hem katalitik hem de ACP alanları, ‘modüller’ olarak adlandırılan işlevsel birimlerde toplanır, dolayısıyla bu tür sistemler için ‘modüler PKS’ler’ adı verilir.

Virjinyamisin biyosentezi aynı zamanda PKS’den farklı olan ve bu nedenle “PKS’de” hareket eden bir dizi enzimi (VirC, VirD ve VirE olarak adlandırılır) içerir. trans’ ACP’lere bağlı zincirlerde4. Bu enzimatik ‘kaset’in görevi, birleştirme işleminde belirli bir noktada poliketit zincirine bir β-metil grubu yerleştirmektir.6. Virginiamisin tek başına bir β-metile sahip değildir, çünkü diğer birçok poliketid β-metilleri ve diğer β-dallanma modifikasyonlarını içerir.7.

Poliketidlerin yüksek terapötik değeri göz önüne alındığında, dünya çapındaki birçok laboratuvar, onlarca yıldır PKS enzimlerinin genetik mühendisliği yoluyla bu yapıların gelişmiş analoglarını üretmeyi hedefliyor.8. Bu bağlamda, β-dallanmayı poliketitlere isteyerek dahil edebilmek özellikle ilginç olacaktır, çünkü bu tür işlevsellikler moleküllerin hem biyofiziksel hem de biyolojik aktivitelerini modüle eder.7. Bununla birlikte, bu tür çabaların başarısı, PKS yapısı ve enzimolojisinin derinlemesine anlaşılmasına bağlıdır. Bu çalışmada, virginiamisin M β montajı sırasında β-dallanmanın nasıl meydana geldiğini ve özellikle, β-metilasyon kasetinin biyosentez sırasında hangi noktada müdahale edeceğini ‘seçtiğini’ – bölgeye özgü modifikasyonu etkinleştirmek için gerekli olan bilgileri deşifre etmeye çalıştık. diğer poliketitler.

Bu soruyu cevaplamak için, VirD ile tercih ettiği ACP ortağı arasındaki etkileşimi X-ışını kristalografisi kullanarak atomik ayrıntılarla görselleştirmeyi başardık. ACP-VirD yapısının analizi, değiştirilecek substrat seçiminin, genel olarak farklılıklara değil, büyük ölçüde ACP alanının yüzey özelliklerine – yani bağlı poliketit zincirini çevreleyen yüklü, polar ve hidrofobik amino asitlerin kesin modeline – bağlı olduğunu ortaya çıkardı. ACP mimarisi, önerildiği gibi9. ACP’ler küçük alanlardır ve bu nedenle bu özel etkileşimleri yürütmek için mevcut yüzey kalıntılarının sayısı sınırlıdır. Gerçekten de, bizim için sürpriz bir şekilde, bağlama testleri kullanarak keşfettik laboratuvar ortamındakaset enzimlerinin aynı PKS’de ikinci bir ACP alanını tanıması. Ayrıca, bu etkileşimin, her 100 molekülden yaklaşık 1’inde ikinci bir β-metilasyon reaksiyonuyla sonuçlandığını ve daha önce tanımlanamayan bir virginiamisin analoğunun ortaya çıktığını gösterdik. Bu çok fazla gibi görünmese de, ebeveyn virjiniamisin M’ye göre bu türevin miktarları, tipik olarak PKS sentetik biyoloji yoluyla elde edilenlerle karşılaştırılabilir.8.

Daha önce, poliketid montajı sırasında meydana gelen β-modifikasyon reaksiyonlarının yüksek oranda programlandığı ve bu nedenle sadık olduğu varsayılmıştı.6,7. Sonuçlarımız kesin olarak PKS’lerin bazen hata yaptığını ve bu nedenle diğer biyosentetik hatalardan kaynaklanan metabolitler için bakteriyel büyüme ekstraktlarının yeniden analiz edilmesinin faydalı olacağını göstermektedir. Normalde sentezlerini baskılayan kontrol mekanizmalarını kasıtlı olarak devre dışı bırakarak bu tür bileşiklerin verimlerini artırmak bile mümkün olabilir. Dahil olan çok sayıda PKS yolu göz önüne alındığında transetkili enzimler10bu biyosentetik boşluk geniş çapta kullanılabilir olabilir.

Çalışmamız hakkında daha ayrıntılı bilgi için lütfen orijinal makaleye bakın: “Virginiamisin M biyosentezinde β-metilasyonun programlanmasının şifresinin çözülmesi” Doğa İletişimi (https://doi.org/10.1038/s41467-023-36974-3).

Referanslar

  1. Weissman, KJ 1.02 – Bakteriyel Tip I Poliketid Sentazları. içinde Kapsamlı Doğal Ürünler III (editörler Liu, H.-W. (Ben) & Begley, TP) 4–46 (Elsevier, 2020). doi:10.1016/B978-0-12-409547-2.14644-X.
  2. Demain, AL Mikrobiyal doğal ürünlerin önemi ve keşiflerini canlandırma ihtiyacı. J. Ind. Microbiol. Biyoteknoloji 41185–201 (2014). doi: 10.1007/s10295-013-1325-z
  3. Demain, AL & Vaishnav, P. Kanser kemoterapisi için doğal ürünler. Mikrob. Biyoteknoloji 4687–699 (2011). doi: 10.1111/j.1751-7915.2010.00221.x.
  4. Pulsawat, N., Kitani, S. & Nihira, T. Bir streptogramin tip A antibiyotik olan virginiamisin M’nin üretimi için biyosentetik gen kümesinin karakterizasyonu Streptomyces virginiae. Gen 39331–42 (2007). doi: 10.1016/j.gene.2006.12.035
  5. Grininger, M. Modüler poliketit sentezleriyle montaj hattı sentezinin enzimolojisi. Nat. kimya Biol. Baskıda (2023) doi:10.1038/s41589-023-01277-7.
  6. Calderone, CT Poliketit biyosentezinde izoprenoid benzeri alkilasyonlar. Nat. Üretim temsilci 25845–853 (2008). doi: 10.1039/b807243d
  7. Walker, PD, Weir, ANM, Willis, CL & Crump, MP Polyketide β-dallanma: çeşitlilik, mekanizma ve seçicilik. Nat. Üretim temsilci 38723–756 (2021). doi: 10.1039/d0np00045k
  8. Weissman, KJ Modüler PKS’lerin genetik mühendisliği: kombinatoryal biyosentezden sentetik biyolojiye. Nat. Üretim temsilci 33, 203–230 (2016). doi:10.1039/c5np00109a
  9. Haines AS et al. Korunmuş bir motif, poliketit sentezinde β dallanması için asil taşıyıcı proteinleri işaretler. Nat. kimya Biol. 9685–692 (2013). doi: 10.1038/nchembio.1342
  10. Helfrich, EJN & Piel, J. Poliketidlerin Biyosentezi trans-AT poliketit sentezleri. Nat. Üretim temsilci 33231–316 (2016). doi: 10.1039/c5np00125k

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir