Den aktiva komponenten i underläkemedlet penicillin och relaterade antibiotika som cefalosporiner är en "förtrollad ring, "kallas β-laktamringen. Antibiotika som inkluderar dessa ringar är utan tvekan de viktigaste läkemedlen i mänsklighetens historia, har enbart ökat den globala livslängden med uppskattningsvis fem år.

"Folk säger ofta att vi tar slut på antibiotika, men det finns mer än 20, 000 molekyler med antibiotisk aktivitet i Handbook of Antibiotics, "sa Timothy Wencewicz, en kemist vid Washington University i St. Louis som specialiserat sig på antibiotisk design.

"Färre än 1 procent av dem har någonsin betraktats som en potentiell klinisk kandidat. De tappar eftersom det tar så mycket tid och omsorg att förbereda en molekyl för användning som läkemedel.

Wencewicz valde noggrant en av dessa molekyler, obafluorin, för vidare studier. Oblafluorin, upptäcktes 1984 av Squibb Institute, framställs av en fluorescerande stam av jordbakterier som bildar biofilm på växtrötter.

Som penicillin, obafluorin har en fyrledad ring. En fyrledad ring belastar bindningsvinklarna som kol föredrar att anta, förklarar Wencewicz. "Stammen förvandlar dessa ringar till molekylära bomber som går av när de sätts på rätt plats vid rätt tidpunkt, vilket är användbart för att döda mikrober, " han sa.

Men eftersom en fyrmedlemsring är instabil, dessa molekyler är också kortlivade och svåra att göra. Det tog år för kemister att lära sig att syntetisera penicillin från kemikalier och sedan ta reda på hur svampar gör det. Antibiotikumet tillverkas fortfarande genom att jäsa en penicillin-utsöndrande svampstam i gigantiska kärl i rostfritt stål.

Wencewicz -labbet kunde hoppa över hela processen, genom att använda genetik för att nollställa det biosyntetiska maskineri som bakterier använder för att göra obafluorin och sedan för att rekonstruera det flersteget, enzymkatalyserad process i labbet.

Wencewicz, doktorander Mars Reck och Jason Schaffer, och grundutbildningen Neha Prasad beskriver det kompletta biosyntetiska maskineriet för montering av ß-laktonobafluorin i 15 maj-numret av Natur kemisk biologi .

Ss-laktonerna hämmar en stor klass av enzymer som kallas serinhydrolaser. "Det finns hundratals kända serinhydrolaser, och de är inblandade i många mänskliga sjukdomar, "Sade Wencewicz. Ss-laktonerna kan visa sig vara användbara vid behandling av cancer och fetma, liksom infektionssjukdomar.

En mörk väg fram i ljuset

Obafluorin är en peptid, en kort kedja av länkade aminosyror. De flesta peptider produceras av en cellulär maskin som kallas ribosomen, som gör en mängd olika peptider. Obafluorin, dock, monteras inte av ribosomen utan av icke-ribosomalt peptidsyntetas (NRPS), ett flerdelat enzym som syntetiserar endast en typ av peptid.

Ribosomerna gör de långa peptider som kallas proteiner som är avgörande för livet, Sa Wencewicz. Ribosomer har utvecklats under miljontals år för att vara otroligt effektiva och exakta, han lade till, men de använder en begränsad uppsättning av aminosyra byggstenar.

Antibiotika och andra sekundära metaboliter som är användbara men inte nödvändiga för livet monteras mer eller mindre på begäran av NRPS -monteringslinjer. Dessa NRPS kan länka tusentals olika aminosyra byggstenar för att bilda strukturellt olika små peptider med viktig biologisk aktivitet.

NRPS är i huvudsak en serie enzymer som är sammanbundna till ett stort protein med många domäner, var och en utför ett steg i peptidsammansättningen. "De är snarare som Henry Ford -monteringslinjer, "Sa Wencewicz.

Wencewicz -labbet identifierade genklustret i Pseudomonas fluorescerande som gör NRPS och gjorde de fem enzymerna generna kodade.

Det femte enzymet visade sig vara särskilt intressant. Det är ett ovanligt tioesteras som är ansvarigt för ß-laktonringbildning när peptiden frigörs från NRPS. Till skillnad från andra tioesterasenzymer, obafluorintioesteraset inkluderar en sällsynt katalytisk aminosyra som genererar en reaktiv tioester -intermediär. Denna ovanliga kemi gör att NRPS kan övervinna energibarriären som annars förhindrar bildandet av en ansträngd ring.

Många fler ringar kommer

"Vi har nu en komplett enzymatisk plattform för att göra ß-laktonpeptider av enkla utgångsmaterial, "Wencewicz sa." Eftersom vi känner till gensekvenserna som kodar för denna löpande band, vi använder kraften i modern genomsekvensering för att söka efter och göra nya ß-laktoner gjorda av andra organismer. "

Alla som känner till den långa och frustrerande kampen om att producera tillräckligt med penicillin för att hjälpa sårade soldater under andra världskriget kan bara förundras över de hisnande framsteg inom genetik och kemi som har gjort det möjligt för Wencewicz -labbet att kollapsa arbetet under många decennier på några år.