Comprender cómo se construyen los andamios de antibióticos en la naturaleza puede ayudar a los científicos a buscar nuevas clases de antibióticos a través de la secuenciación del ADN y la extracción del genoma. Los investigadores han utilizado este conocimiento para ayudar a resolver la estructura cristalina de rayos X de la enzima que produce la obafluorina, una ampliaagente antibiótico de espectro producido por una cepa fluorescente de bacterias del suelo. El nuevo trabajo de la Universidad de Washington en St. Louis y la Universidad de Buffalo se publica el 31 de julio en la revista Nature Communications.
Una enzima de varias partes llamada péptido sintetasa no ribosómica produce el anillo beta-lactona altamente reactivo que es responsable de la actividad antimicrobiana de la obafluorina.
"Obafluorin tiene una estructura novedosa en comparación con todos los antibióticos aprobados por la FDA", dijo Timothy Wencewicz, profesor asistente de química en Artes y Ciencias. "A largo plazo, realmente necesitamos nuevas clases estructurales de antibióticos que nunca hayan sido contaminados porresistencia clínica de clases establecidas de antibióticos "
Wencewicz señaló que estos químicos podrían usarse como antibióticos de próxima generación para los humanos, o incluso para beneficiar al sector agrícola, mientras los investigadores se esfuerzan por diseñar tratamientos de semillas y biopesticidas para apoyar los sistemas de plantas capaces de producir suficientes alimentos para alimentar a los 9.600 millonespersonas proyectadas para vivir en este planeta para 2050.
El nuevo trabajo proporciona una hoja de ruta útil que muestra cómo los dominios de proteínas individuales en la enzima ObiF1 se unen en un espacio tridimensional. La estructura de una enzima es fundamental para casi todas las funciones que realiza.
"La solución de esta estructura se expande en descubrimientos previos para proporcionar vistas de las interacciones moleculares entre dominios catalíticos de una manera completamente nueva", dijo Andrew M. Gulick, profesor asociado en el departamento de biología estructural en la Escuela de Medicina de Jacobs yCiencias biomédicas en la Universidad de Buffalo: "Esta es una nueva clase de compuestos, y nunca hemos tenido la visión molecular para apreciar cómo se producen".
Fijando un nuevo antibiótico de la naturaleza
Obafluorin está hecho por una cepa fluorescente de bacterias del suelo que forma biofilms en las raíces de las plantas. Obafluorin se descubrió originalmente en 1984, pero no fue hasta 2017 que Wencewicz descubrió el modelo genético de la enzima que produce los componentes bioactivos de la moléculaEse descubrimiento marcó la primera vez que alguien pudo identificar una enzima formadora de beta-lactona de la naturaleza y recrearla en el laboratorio.
Al igual que la penicilina, la obafluorina tiene un anillo de cuatro miembros, a veces llamado anillo encantado. Un anillo de cuatro miembros ejerce presión sobre los ángulos de enlace que el carbono prefiere adoptar. Pero debido a que un anillo de cuatro miembros es inestable, estas moléculas también son inestables.de corta duración y difícil de fabricar. Por ejemplo, los químicos tardaron años en aprender a sintetizar la penicilina a partir de productos químicos y luego descubrir cómo lo hacen los hongos. Esto finalmente condujo a la producción mundial de penicilina por fermentación.
Los investigadores en el laboratorio de Wencewicz pudieron acelerar el proceso de descubrimiento utilizando la genética para concentrarse en la maquinaria biosintética que usan las bacterias para producir obafluorina, y luego reconstruir ese proceso catalizado por enzimas en varios pasos en el laboratorio.
Capturado 'en el acto'
Para su nuevo trabajo, Wencewicz y Gulick, junto con el investigador postdoctoral Dale F. Kreitler UB y los estudiantes graduados Jason E. Schaffer y Erin M. Gemmell Universidad de Washington, mapearon la sintetasa peptídica no ribosómica de longitud completa NRPSeso hace que los componentes bioactivos de la obafluorina.
Gulick es un experto en sistemas NRPS y ha publicado muchas de las estructuras de cristal seminal de piezas centrales de estas enzimas, así como estructuras para sistemas completos como el presentado en este trabajo.
El resultado es una estructura molecular completa y detallada con una resolución de 3 Angstrom que permite identificar los átomos en la cadena de proteínas, ver su ubicación y puntos de contacto a lo largo de la cadena, y determinar cómo se ensamblan las piezas para producir moléculas útiles a partir deEmpezar a acabar.
"Pudimos atrapar algunos de los bloques de construcción de las moléculas capturadas dentro de algunos de los sitios activos de enzimas, en el acto de hacer la química", dijo Wencewicz. "Esto nos ayudó a conectar moléculas pequeñas a la proteína, y complete algunos de los vacíos mecanicistas en cómo se crean las moléculas "
Este tipo de vista es particularmente importante para el objetivo futuro de crear una biblioteca química, poblada con compuestos de beta-lactona relacionados que han sido diseñados para usos beneficiosos.
"También obtuvimos una visión muy interesante de cómo los dominios de la proteína realmente se comunican entre sí", dijo Wencewicz. Las estructuras cristalinas les permitieron ver cómo los componentes clave de la enzima se acoplan entre sí y cómo las moléculas son eficientesmovido a través de toda la línea de montaje NRPS.
Se demostró que un componente en particular, algo llamado proteína similar a MbtH, o MLP, porque se identificó por primera vez en un sistema relacionado para producir micobactina en la bacteria que causa la tuberculosis desempeña un papel fundamental en la facilitación de proteínas-protección interacciones entre dominios catalíticos.
"Resulta que la proteína general sufre en gran medida cuando se quita esta pequeña proteína que proporciona el apretón de manos crítico", dijo. "Nos mostró de una vez por todas que la coordinación de estos dominios es absolutamente crítica para elfunción de hacer antibióticos con esta enzima "
Tomados en su conjunto, el nuevo documento es único en su alcance, dijeron los investigadores, presentando la estructura cristalina de rayos X de la enzima sintetizadora de obafluorina completa ObiF1, probando el mecanismo molecular para varios pasos clave en el ciclo catalítico, yestablecer los residuos conservados que permiten la formación del anillo reactivo de beta-lactona.
Un paso clave en un proceso largo
Encontrar un antibiótico de una fuente en la naturaleza es solo un primer paso en un largo proceso de desarrollo de fármacos. Con la estructura y las técnicas descritas en este nuevo documento, ahora es posible crear de forma rápida y fácil análogos del producto natural en ellaboratorio: para optimizar sus propiedades moleculares y bioactividad.
Gulick y Wencewicz planean continuar aplicando su conocimiento de la vía biosintética de obafluorina para descubrir nuevos productos naturales de beta-lactona utilizando enfoques genómicos y bioquímicos.
"Dada la diversidad estructural de los productos naturales conocidos de beta-lactona, creemos que quedan por descubrir nuevas beta-lactonas sintasas", dijo Wencewicz.
La Universidad de Washington ha solicitado una patente de servicios públicos de EE. UU. Que cubre esta tecnología.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington en St. Louis . Original escrito por Talia Ogliore. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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