Bakterier är ingenjörer inom små, biologiskt användbara molekyler. En ny studie i Naturkommunikation har avslöjat ett av tricken med denna mikrobiella handel:syntetisera och sedan infoga en kväve-kvävebindning, som en prefabricerad del, till en större molekyl.

Upptäckten gjordes av en samarbetsgrupp av kemister vid University of Illinois och Harvard University. Tillsammans, de bekräftade att två annars orelaterade, bakteriellt producerade föreningar delade en ovanlig uppsättning steg i sina biosyntetiska vägar. Att dechiffrera denna typ av biokemisk process kommer att hjälpa till i sökandet efter andra användbara biologiska föreningar.

"Det är ett molekylärt handtag eller genetiskt handtag om du nu vill gå efter andra nya molekyler som folk inte har hittat tidigare, sade Wilfred van der Donk, Richard E. Heckert begåvad ordförande i kemi och utredare vid Howard Hughes Medical Institute. "Så vi är ganska exalterade både över vad som står i tidningen och vad det tillåter oss att göra framöver."

Naturprodukter, ämnen som produceras av levande varelser, har försett oss med antibiotika, svampdödande medel, cancerterapier, och andra viktiga farmaceutiska och industriella föreningar; fortsatt utforskning av mikrobernas mångskiftande kemiska värld är ett av våra bästa hopp för framtida läkemedelsupptäckt. Ett stort fokus i van der Donks forskning är strävan att identifiera nya naturliga produkter.

Van der Donk delar det målet med ett samarbetande forskarteam inom Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB), som han är medlem av. Forskargruppen Mining Microbial Genomes syftar till att påskynda jakten på naturliga produkter med hjälp av kraften hos nästa generations genomiska teknologier. De verktyg som bakterier och andra mikrober använder för att göra naturliga produkter är enzymer, specialiserade proteiner kodade av gener. Teamets långsiktiga forskningsmål är att lära sig att läsa igenom bakteriegenom och, baserat på generna varje art har, förutsäga vilka föreningar de kan göra.

Teamet är särskilt intresserade av en klass av molekyler som kallas fosfonater som redan har gett flera användbara föreningar. I början av denna studie, de ville förstå vilka genprodukter som gör det möjligt för en cell att bilda en nyckelfunktion i ett speciellt fosfonat som kallas fosfazinomycin, en förening med svampdödande egenskaper:en kemisk bindning mellan två kväveatomer. Föreningar med reaktiva kväve-kvävebindningar reagerar lätt med andra molekyler såsom DNA och proteiner och kan som sådana bidra till antimikrobiell eller anti-canceraktivitet.

"Vi letade efter fosfazinomycin som grupp i förmodligen ett decennium, på grund av den mycket ovanliga strukturen, men vi visste inte vilka gener" som gav enzymerna för att syntetisera det, förklarade van der Donk. "Vi bestämde oss okej, låt oss ta reda på hur naturen skapar denna kväve-kvävebindning."

Efter att gruppen började arbeta med projektet, två publikationer av forskare fokuserade på andra naturprodukter beskrev en process för bildning av kväve-kvävebindningar där en kväveatom är inbyggd i molekylen, och en annan fästs senare - organismen bygger molekylen bit för bit, som ett barn med ett grundpaket legoklossar.

Van der Donks grupp upptäckte med förvåning att deras molekyls kväve-kvävebindning inte bildades på detta sätt. Istället, bakterierna de studerade skapade kväve-kvävebindningar som en del av en mycket mindre molekyl, som en speciallegodel, och senare installera den delen i den större molekylen som skulle bli fosfazinomycin.

"Vi insåg när vi fortsatte att arbeta att i vårt system, det är gjort väldigt annorlunda, ", sa van der Donk. "Det såg ut som i vårt fall som om naturen gjorde denna kväve-kvävebindning innehållande molekyl som en färdigförpackad molekylär enhet som sedan senare dumpades i en befintlig biosyntetisk väg."

Forskningsprojektet tog en annan oväntad vändning när doktoranden och medförfattaren Kwo-Kwang (Abraham) Wang presenterade de preliminära resultaten på en konferens. Han blev kontaktad av Harvard-kemistudenten Tai Ng, som tillsammans med sin laboratoriegrupp ledd av professor Emily Balskus studerade en naturlig produkt och ett lovande anticancermedel som heter kinamycin. Kinamycin innehåller en kväve-kvävebindning, och Ngs forskning antydde att den också delar prefabriceringssteget som misstänks för fosfazinomycin.

"Vi hade märkt att deras molekyl [syntetiseras med] samma gener, men vi visste inte riktigt hur det passade in heller, eftersom de skapar en helt annan struktur som innehåller kväve-kvävebindningar som inte ser ut som vår molekyl, " sa van der Donk. De två grupperna började arbeta tillsammans, koordinering av experiment där märkta molekyler matades till bakterier som kunde syntetisera var och en av de två naturliga produkterna, för att se vilka mellanliggande molekylära strukturer som sömlöst kan introduceras i den naturliga biosyntesvägen i cellen.

"Vi skulle göra dessa märkta föreningar, ge dem till den producerande organismen, isolera slutprodukten, för Harvard-gruppen kinamycin och för oss fosfazinomycin, och se om kväve-kvävedelen av molekylerna som vi matade till dessa organismer installerades i slutprodukten, " sa van der Donk. "Vi gjorde det för fyra olika föreningar och varje gång var svaret ja, ja, ja, ja."

Att hitta denna osannolika likhet i hur två olika molekyler produceras ökade forskarnas förtroende för de inblandade genernas funktionella roller. De har nu en ny genomisk signatur att lägga till i deras lexikon, något de kan söka efter i andra bakteriegenom när de fortsätter sökandet efter användbara naturliga produkter.

"Vi måste lära oss mer om hur kända naturprodukter tillverkas. Det här är ett bra exempel; nu när vi vet, vi kan använda den kunskapen. Före det, det var bara en hel massa gener och vi visste inte riktigt vad vi skulle göra med dem, ", sa van der Donk. "Genom att gå efter okända genkluster [hoppas vi kunna] se omedelbart från genklustret, det här måste vara en ny molekyl. . . kan den molekylen vara nästa antibiotikum eller nästa antitumörläkemedel?"