Kemister vid Scripps Research har effektivt skapat tre familjer av komplexa, syrehaltiga molekyler som normalt endast kan erhållas från växter.

Dessa molekyler, kallade terpener, är potentiella utgångspunkter för nya läkemedel och andra högvärdiga produkter – vilket markerar en viktig utveckling för flera branscher. Dessutom, den nya metoden kan tillåta kemister att bygga många andra klasser av föreningar.

Den kemi bedriften är detaljerad i 13 augusti upplagan av tidskriften Vetenskap .

Nyckeln till denna nya metod att göra molekyler är att utnyttja, eller kapning, av naturliga enzymer - från bakterier, i det här fallet – att hjälpa till med komplexa kemiska omvandlingar som har varit opraktiska eller omöjliga med enbart syntetisk kemiteknik, säger chefsutredaren Hans Renata, Ph.D., en biträdande professor vid Institutionen för kemi vid Scripps Research.

Naturliga enzymer som hjälper till att bygga molekyler i celler utför vanligtvis bara en eller två mycket specifika uppgifter. Men Scripps Research-teamet visade att naturliga enzymer, även utan ändringar, kan göras för att utföra ett bredare spektrum av uppgifter.

"Vi tror att i allmänhet, enzymer är en mestadels outnyttjad resurs för att lösa problem i kemisk syntes, " säger Renata. "Enzymer tenderar att ha en viss grad av promiskuös aktivitet, när det gäller deras förmåga att stimulera kemiska reaktioner utöver deras primära uppgift, och vi kunde dra nytta av det här."

Att utnyttja enzymers dolda talanger

Enzymer hjälper till att bygga molekyler i alla växter, djurarter och mikrobiella arter. Inspirerad av deras effektivitet i att konstruera mycket komplexa molekyler, kemister i mer än ett halvt sekel har använt enzymer i labbet för att hjälpa till att bygga värdefulla föreningar, inklusive läkemedelsföreningar - men vanligtvis är dessa föreningar samma molekyler som enzymerna hjälper till att bygga i naturen.

Utnyttja naturliga enzymer på ett bredare sätt, beroende på deras grundläggande biokemiska aktivitet, är en ny strategi med stor potential.

"Vår uppfattning nu är att när vi vill syntetisera en komplex molekyl, lösningen finns förmodligen redan bland naturens enzymer – vi måste bara veta hur man hittar enzymerna som kommer att fungera, " säger seniorförfattaren Ben Shen, Ph.D., ordförande för Department of Chemistry på Florida campus och chef för Scripps Researchs Natural Products Discovery Center.

Teamet lyckades göra nio terpener kända för att tillverkas i Isodon, en familj av blommande växter relaterade till mynta. De komplexa föreningarna tillhör tre terpenfamiljer med besläktade kemiska strukturer:ent-kauranes, en-atisanes, och ent-trakylobaner. Medlemmar av dessa terpenfamiljer har ett brett utbud av biologiska aktiviteter inklusive undertryckande av inflammation och tumörtillväxt.

Ett recept för syntesframgång

Syntesen av varje förening, i mindre än 10 steg för varje, var en hybridprocess som kombinerar nuvarande organiska syntesmetoder med enzymmedierad syntes utgående från en billig förening som kallas steviosid, huvudkomponenten i det konstgjorda sötningsmedlet Stevia.

Det främsta hindret var den direkta ersättningen av väteatomer med syreatomer i ett komplext mönster på kolatomskelettet av utgångsföreningen. Nuvarande organiska syntesmetoder har en begränsad arsenal för sådana transformationer. Dock, naturen har producerat många enzymer som kan möjliggöra dessa omvandlingar - var och en kan utföra sin funktion med en grad av kontroll oöverträffad av konstgjorda metoder.

"Att vara en tvärvetenskaplig forskargrupp, vi var fullt medvetna om begränsningarna med nuvarande organiska syntesmetoder, men också av de många unika sätt som enzymer kan övervinna dessa begränsningar – och vi hade insikterna att kombinera traditionell syntetisk kemi med enzymatiska metoder på ett synergistiskt sätt, säger Renata.

De tre enzymerna som används, som identifierades och karakteriserades av Shen, Renata och kollegor bara förra året, produceras naturligt av en bakterie – en av de 200, 000-plus arter i Microbial Strain Collection vid Scripps Researchs Natural Products Discovery Center.

"Vi kunde använda dessa enzymer inte bara för att modifiera startmolekylerna, eller ställningar som vi kallar dem, men också att förvandla en ställning till en annan så att vi kan förvandla en terpen från en familj till en terpen från en annan familj, " säger andra författaren Emma King-Smith, en Ph.D. student i Renata-labbet.

Kemisterna tänker nu använda sitt nya tillvägagångssätt för att göra användbara mängder av de nio föreningarna, såväl som kemiska varianter av föreningarna, och, med samverkande laboratorier, utforska deras egenskaper som potentiella droger eller andra produkter.

"Med vår strategi, vi kan göra dessa starkt oxiderade diterpener mycket lättare och i större mängder än vad som skulle vara möjligt genom att isolera dem från växterna där de finns naturligt, " säger första författaren Xiao Zhang, Ph.D., en postdoktoral forskarassistent i Renata-labbet.

Lika viktigt, forskarna säger, de arbetar med att identifiera reaktioner och enzymer som gör det möjligt för dem att utöka sin strategi till andra klasser av molekyler.

Centralt för alla dessa ansträngningar är den pågående utvecklingen av metoder för att sålla igenom DNA från mikrober och andra organismer för att identifiera de enzymer de kodar för – och förutsäga aktiviteten hos dessa enzymer. Miljarder distinkta enzymer finns i växter, djur, och bakterier på jorden och endast en liten bråkdel av dem har hittills katalogiserats.

"Vi är glada över potentialen att upptäcka nya och användbara enzymer från vårt stambibliotek här på Scripps Research, " säger Renata. "Vi tror att det kommer att göra det möjligt för oss att lösa många andra problem inom kemisk syntes."