Mikrober är välkända bland biologer som ingenjörer av användbara små molekyler, och det finns många knep i deras bransch. När forskare vid University of Illinois tittade närmare på hur en känd mikrob gör en känd så kallad naturprodukt, de belönades med upptäckten av ett helt okänt biokemiskt trick.

G. William Arends professor i molekylär och cellulär biologi vid University of Illinois William Metcalf ledde studien tillsammans med den dåvarande postdoktorn Elizabeth (Betsy) Parkinson. Parkinson är nu biträdande professor i kemi vid Purdue University. Metcalf, Parkinson och medförfattare rapporterade sitt arbete, som stöddes av NIH, i Naturens kemiska biologi .

Arbetet började med en överraskning:forskarna gav sig i kast med att utforska hur deras mikrob av intresse, Streptomyces lavendulae, skapar en kemikalie som kallas fosmidomycin. Teamet var intresserade av hur denna förening skapas delvis eftersom det är ett antimikrobiellt medel som är effektivt mot malaria, en myggburen sjukdom som dödar hundratusentals människor varje år. Som förväntat, S. lavendulae producerade en förening som dödade mikrober – men det var inte fosmidomycin.

"Den mest intressanta undersökningen är när du ställer en fråga och du får ett helt oväntat svar, " Sa Metcalf. "Något blev som vi förväntade oss; toppen!"

Fler överraskningar följde snabbt. Teamet spårade bakteriens dödande kraft till produktion av en närbesläktad molekyl, dehydrofosmidomycin, en känd naturprodukt som till och med kan vara något bättre än fosmidomycin för behandling av malaria. Dock, generna som S. lavendulae använde för att göra dehydrofosmidomycin var helt olik de som ses i andra mikrober.

"Det är väldigt likt en annan klass av molekyler som vi har arbetat med tidigare, praktiskt taget identiskt, kemiskt och strukturellt, men den biosyntetiska vägen och generna är helt olika, " Sa Metcalf. "Vilket om du tänker på evolution och hur du kom dit, det är fascinerande, att dessa molekyler är så bra att naturen självständigt upptäckte det flera gånger."

Mikrober utvecklar förmågan att göra naturliga produkter som fosmidomycin och dehydrofosmidomycin för att hjälpa dem att konkurrera ut närliggande mikrober om utrymme och resurser. Varje naturprodukt är kemiskt framställd av en serie proteiner som kallas enzymer, som turas om att justera den växande molekylen genom att lägga till eller ta bort atomer för att ändra dess form och aktivitet. Mikrobiella genom är utspridda med kluster av gener som kodar för dessa enzymer, med ett kluster som vanligtvis innehåller alla gener som behövs för att göra en naturlig produkt.

Metcalfs laboratorium och andra forskare vid Carl R. Woese Institute for Genomic Biology vid University of Illinois vill utforska sambandet mellan mikrobiella naturprodukter och genkluster som möjliggör deras produktion. Genom att lära sig känna igen vilka gener som leder till vilka typer av produkter, de hoppas kunna använda genomsekvensering för att påskynda upptäckten av nya naturliga produkter som, som fosmidomycin och relaterade molekyler, kan ha viktiga terapeutiska egenskaper.

Metcalf var särskilt upphetsad över att se en bekant typ av molekyl som tillverkas av ett obekant genkluster.

"Den tekniska termen är konvergent utveckling mot en kemisk produkt, " Sa Metcalf . " Och det säger dig . . . att det är en riktigt bra molekyl. Den gör vad naturen vill att den ska göra:den är antibakteriell och dödar också parasiter, som malaria och växter, som ogräs, den har verkligen många användningsområden. Det är helt ogiftigt för människor, vilket är trevligt."

Forskarna grävde djupare in i detaljerna i det nya genklustret och de kemiska reaktioner som underlättas av dess enzymer. De rekonstruerade och experimentellt bekräftade en serie steg som leder från start "ingredienserna" till den färdiga produkten.

"Så varför bryr du dig om hur sådana här molekyler skapas? ... En riktigt bra bioteknisk väg, det är det billigaste sättet att göra något, " Sa Metcalf. "Detta erbjuder en annan väg till samma molekyl, vilket kan vara en mer effektiv väg, kan vara en billigare väg, som ännu inte har undersökts."

Höjdpunkten i den nyupptäckta vägen var ett enzym kodat av genen dfmD. Dens namn, som påminner om ett biblioteksnummer och valt av forskarna för att ange dess position i det dehydrofosmidomycinproducerande genklustret, motsäger nyheten i den kemiska reaktion enzymet underlättar.

"Du bryter två kol-kvävebindningar, du reformerar en kol-kolbindning, och du oxiderar en annan kol-kolbindning. Och du gör det i ett steg, " sa Metcalf. Med andra ord, enzymet bryter en bit av den större molekylen, vänder på det, sätter fast den igen, och justerar den resulterande produkten, allt i en enda kontinuerlig handling, analogt med en person som ändrar säteskonfigurationer i en minibuss.

"I enklaste termer, vad dfmD gör är en kemisk reaktion som inte är lätt att föreställa sig, nummer ett, bara baserad på de första principerna för kemi; och nummer två, som aldrig har observerats i naturen tidigare, " Sa Metcalf. "Eftersom det här gör något radikalt annorlunda, det lägger till den kunskapsmassan så att när vi tittar på nya vägar, vi kan fundera på hur de kan fungera."