«Крайне редко одна исследовательская группа занимается одновременно открытием натуральных продуктов и механистической энзимологией», — сказала Лия Бушин, член лаборатории Сейедсаямдоста и соавтор статьи, опубликованной 20 апреля в журнале Nature Chemistry. Бушин работала над выяснением структуры стрептида в рамках своей дипломной работы на бакалавриате и осенью поступит в аспирантуру Princeton Chemistry.
Чтобы изучить, как бактерии общаются, ей сначала пришлось вырастить их — сложный процесс, в котором необходимо было строго исключить кислород. Затем она выделила стрептид и проанализировала его с помощью двумерной (2D) спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), метода, который позволяет ученым выявлять связи между атомами в молекуле, воздействуя на их ядра мощными магнитами, чтобы пульсировать атомные ядра.Эксперименты показали, что стрептид содержит беспрецедентную перекрестную связь между двумя неактивированными атомами углерода на лизине и триптофане, составляя новый класс макроциклических пептидов. «Мы не думали, что это будет так же круто, как углерод-углеродная связь между двумя боковыми цепями аминокислот, поэтому это определенно было сюрпризом». — сказал Бушин.Чтобы выяснить, как образуется эта новая связь, исследователи внимательно изучили кластер генов, продуцирующий стрептид.
Внутри кластера генов они подозревали, что за эту необычную модификацию может быть ответственен радикальный фермент S-аденозилметионин (SAM), который они назвали StrB.«Радикальные ферменты SAM катализируют совершенно удивительные химические процессы», — сказала Келси Шрамма, аспирант лаборатории Сейедсаямдоста и соавтор статьи. «Существует более 48 000 радикальных ферментов SAM, но охарактеризовано только около 50 и подробно изучено всего около дюжины», — сказала она.Чтобы исследовать роль фермента в создании стрептида, исследователи создали мутированную версию бактерий, лишенных гена strB.
Мутант не смог продуцировать стрептид, что подтверждает значимость фермента StrB и требует дальнейшего изучения.Шрамма определила, что для правильного функционирования ферменту StrB требуются некоторые ключевые компоненты: предварительно сшитый субстрат, который она приготовила синтетически, кофактор SAM, восстановитель и два кластера железо-сера (Fe-S), тщательно собранные во внутренней части белка. . Затем команда показала, что один из кластеров FeS восстановительно активировал одну молекулу SAM, запустив цепь одноэлектронных (радикальных) реакций, которые привели к возникновению новой углерод-углеродной связи.«Синергия между Лией и Келси была великолепной, — сказал Мохаммад Сейедсаямдост, доцент кафедры химии в Принстоне, возглавлявший исследовательскую группу. «Они проявили интерес к дополнительным аспектам проекта, и в итоге получилось больше, чем сумма его частей», — сказал он.
Их усилия включали не только химические и биологические подходы, но и теоретические вычислительные исследования. Хотя 2D-ЯМР-эксперименты выявили плоскую структуру стрептида, его трехмерная конформация все еще оставалась неизвестной.«Поскольку о перекрестной связи никогда не сообщалось, нам пришлось закодировать модификацию в программе, что потребовало некоторого творческого подхода», — сказал Бушин.
После переписки с создателем программного обеспечения они смогли уверенно назначить ключевой остаток в макроцикле с S-конфигурацией.Дальнейшие исследования будут нацелены на биологическую функцию стрептида — его значение на языке бактерий — а также на подтверждение его продукции другими штаммами стрептококковых бактерий.
«То, что мы обнаружили, — это новый и необычный механизм, который природа использует для синтеза макроциклических пептидов. Есть много нового химического процесса, который можно открыть, исследуя пути биосинтеза вторичных метаболитов бактерий», — сказал Сейедсаямдост.