En ny bakteriell molekyl med den motbjudande tendensen att spåra upp och döda andra av sitt eget slag har upptäckts i den mänskliga mikrobiomet av forskare vid Princetons kemiavdelning. heter Streptosactin, det är den första lilla molekylen som uppvisar brodermordsaktivitet.

Upptäckten av Seyedsayamdost-labbet beskrivs i detalj i Journal of the American Chemical Society ( JACS ).

Forskningen beskriver en veritabel nål-i-höstack-jakt där streptosaktin befann sig "vid kanten av upptäckt." Dess produktion är så minimal och så svår att spåra att forskare uppnådde resultaten endast genom ett komplext samspel av faktorer.

De använde en smart bioinformatisk sökstrategi utvecklad för några år sedan av Leah Bushin, en doktorand på sjätte året i Seyedsayamdost-labbet. Detta "genom-först" tillvägagångssätt gjorde det möjligt för dem att screena molekyler för två nyckelegenskaper:samhällets beteende (och därmed avslöjade brodermordet), och strukturell eller topologisk nyhet.

Forskarna använde sedan avancerad masspektrometritaktik för att separera signalen från brus, manipulera och koncentrera odlingsextrakten mer än tusen gånger innan man lokaliserar den eftertraktade föreningen efter månader av sökande.

Kain-och-Abel-beteendet har hittats i en annan bakterie där enzymer eller stora proteiner ger brodermordsaktiviteten - men aldrig tidigare i en liten molekyl. Syftet med beteendet är inte helt förstått. Forskare tror att brodermord kan bidra till evolutionär kondition genom att förbättra den genetiska sammansättningen av syskonpopulationen.

"Det är galet, och jag blev förvånad över det, för. Denna bioaktivitet är något vi aldrig skulle ha förutspått, sade Mohammad Seyedsayamdost, docent i kemi och associerad fakultet i molekylärbiologi. "Men det är så mikrober lever - det finns ingen moral. Det är bara rå överlevnad.

"Brödermord är bra för konditionen eller styrkan hos denna art, ", tillade han. "Det är ett sätt på vilket den här bakterien genererar en mångsidig genetisk sammansättning, så det kan öka chanserna att överleva alla utmaningar eller tillstånd som den stöter på."

En hjälp från genomsekvensering

Laboratoriets forskning öppnar ett nytt fönster mot det stora, till stor del outforskad mikrobiom, det aggregat av mikroorganismer som lever i däggdjurskroppen och som sannolikt spelar en betydande roll för alla däggdjurs hälsa. Så okända är mikrobiomet att det har beskrivits som en gräns lika exotisk som månens yta eller havets botten.

Naturproduktkemister som de i Princeton-labbet försöker upptäcka och förstå de molekyler som mikrober använder för att interagera med sina miljöer. Dessa interaktioner tillåter dem att arbeta tillsammans, att skaffa matmaterial, att tävla, till och med att döda varandra. Forskare använder sedan denna information för att generera läkemedelsledningar för antibiotika och antivirala medel; faktiskt, cirka 70 % av all antibiotika vi använder kliniskt kommer från dessa källor.

"Naturproduktforskning kan vara riktigt frustrerande eftersom tur spelar en viktig roll. På ett sätt är det lite som att fiska, sa Bushin, huvudförfattaren på tidningen Discovery and Biosynthesis of Streptosactin, en sactipeptid med en alternativ topologi kodad av kommensala bakterier i det mänskliga mikrobiomet, som visas i JACS den här veckan.

"Efter månader av sökande, du tror att du har en hit och sedan går du igenom processen att karakterisera den — är den ny? Är det känt? Om det inte är det, du måste börja från ruta ett. Men när du hittar något nytt som streptosaktin, det är den här strömmen av adrenalin som är otroligt. Det är därför du går igenom månader av hårt arbete. Som vetenskapsman, det är definitivt det som får mig in i labbet varje dag."

Masspektrometri levererar

Även med en ny sökmetod och ett extremt känsligt instrument, streptosaktin var svårt att identifiera från levande kulturer; dess koncentration mättes i det pikomolära området.

Efter bioinformatisk förutsägelse och karakterisering av de biosyntetiska enzymerna, Brett Covington, en postdoktor i Seyedsayamdost-labbet, lyckades lokalisera molekylen i bakteriekulturextrakt. Han odlade organismen "i ett medium som den gillar, " och använde smart masspektrometritaktik för att lokalisera de kemiska fingeravtrycken han letade efter.

"Problemet vi hade med streptosaktin är att i labbkulturer, det är inte alls bra producerat. Vi har ett riktigt känsligt instrument och fortfarande, det är knappt märkbart över bruset, " sa Covington. "Så i månader tittade jag på saker, frågar kan de vara buller eller kan de vara verkliga?

"Det är en berg-och dalbana med naturproduktkemi, Covington tillade. "Om vi ​​hade ett lite sämre instrument, vi skulle inte ha hittat det. Om vi ​​inte koncentrerade det också, vi skulle inte ha hittat det. Om vi ​​inte hade rätt typer av metoder som vi använde, vi skulle inte ha sett det. Du var tvungen att veta exakt vad du letade efter och du var tvungen att leta riktigt länge."

Bushin sa, "Jag tror verkligen att Brett är en av få människor i världen som kunde ha slutfört den här uppgiften."

Egenskaperna och beteendet hos streptosaktin har ännu inte förbryllats:vad är dess roll i mikrobiomet? Varför brodermordsbeteendet? Och vilka andra upptäckter finns kvar från de mer än 600 naturprodukter som förutspåtts av Bushins sökalgoritm? Dessa kommer att ligga till grund för framtida forskningsprojekt som leds av Seyedsayamdost-labbet.

"Det finns flera dessa projekt som kan stödjas av detta arbete, sa Seyedsayamdost.