Nyupptäckt enzym använder en ovanlig mekanism för att generera en molekyl med en tårögd fruktansvärd lukt

Den illaluktande molekylen som ger djurgödsel sin motbjudande stank har spårats till sin källa. A*STAR-forskare och deras kollegor har identifierat enzymet som vissa tarmbakterier använder för att producera skatol, en karakteristisk komponent av fekal arom. Upptäckten kan potentiellt användas för att eliminera stötande lukter från djuruppfödning, och det kan till och med ha konsekvenser för att förbättra människors hälsa, säger forskarna.

Skatole är så potent att den mänskliga näsan kan upptäcka den i luften vid en koncentrationströskel på bara 0,00056 delar per miljon. Bakterier som lever i tarmen hos djur, inklusive människor, producera skatol genom att bryta ner indolacetat, som i sig är en nedbrytningsprodukt av tryptofan, en aminosyra från kostprotein. Det bakteriella enzymet som omvandlar indolacetat till skatol har aldrig identifierats, även om enzymerna som bryter ned relaterade aromatiska aminosyrametaboliter är kända.

Nu, det skatolproducerande enzymet har identifierats av ett internationellt forskarlag, leds av Huimin Zhao, från A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences. "Vi är intresserade av att identifiera nya enzymkatalyserade kemiska reaktioner i naturen, och utforska motsvarande enzymer för praktiska tillämpningar, " sa Zhao.

Teamet använde jämförande genomik för att identifiera det enzym som är ansvarigt. "Vi hade turen att genomsekvenserna för två skatolproducerande bakterier redan fanns tillgängliga i offentliga databaser, " tillägger Yifeng Wei, en medlem av Zhaos team på A*STAR. Forskarna jämförde generna från de två bakterierna, letar efter okända enzymer som båda arterna hade, relaterat till enzymer som är kända för att bryta ner andra aromatiska aminosyrametaboliter.

Teamet identifierade snabbt ett kandidatenzym i genetiska data, och en biokemisk analys bekräftade att den förvandlar indolacetat till skatol. Bort från den syrefria miljön i tarmen, indolacetatdekarboxylasenzymet krävde noggrann hantering. "Den mest utmanande delen av detta projekt - utfört huvudsakligen av våra medarbetare vid Tianjin University var den biokemiska karakteriseringen av det syrekänsliga enzymet, " säger Zhao. För att säkerställa att den förblir aktiv, enzymet måste förvaras och hanteras i ett handskfack, under syrefria förhållanden, alltid.

Att identifiera indolacetatdekarboxylas har många potentiella praktiska tillämpningar, säger Zhao. Enzymets genetiska sekvens kan användas som markör för att identifiera skatolproducerande organismer. "När de har identifierats, åtgärder kan vidtas för att eliminera eller ersätta dessa organismer, eller för att skapa förhållanden som undertrycker deras specifika skatolproducerande metabolism, " säger Zhao. Tillämpningarna sträcker sig långt bortom jordbruket. "Vi märkte att detta enzym finns i vissa sekvenserade mänskliga orala bakterier, som kan ge en möjlighet att behandla vissa aspekter av dålig andedräkt, ", tillägger Wei. Myggorna som bär på mänskliga sjukdomar som japansk encefalit och West Nile-virus är också kända för att attraheras av skatole.

Jämförande genomik har potential att identifiera många andra enzymer med ovanlig kemi och biokemi, säger Zhao. "Det finns många metaboliter som produceras av anaeroba bakterier, speciellt tarmbakterier, som bara kan produceras av ovanlig och ännu oidentifierad enzymkemi, säger han. Magen, en syrefri anaerob miljö, är potentiellt en rik källa av enzymer med unik biokemisk reaktivitet som involverar högreaktiva "fria radikaler"-intermediärer.

"Som biokemister, vi är vana vid att tänka på organiska molekyler där alla elektroner är ihopparade, " säger Zhao. "Men, vissa reaktioner åstadkommes lättare genom kemiska arter med oparade elektroner – dvs. fria radikaler." Dessa reaktiva arter är ofta känsliga för syre, men det är inget hinder i magen.

Teamet planerar nästa att studera friradikalmekanismen för indolacetatdekarboxylering i mer detalj, och karakterisera andra enzymer i den skatolproducerande metabola vägen, säger Zhao. "I längden, vi planerar att fortsätta att upptäcka ny enzymatisk kemi av fria radikaler i miljömässiga och mänskliga tarmbakterier."