Bilder av ett protein som är involverat i att skapa ett potent antibiotikum avslöjar de ovanliga första stegen i antibiotikans syntes. Den förbättrade förståelsen för kemin bakom denna process, detaljerad i en ny studie ledd av Penn State kemister, skulle kunna tillåta forskare att anpassa denna och liknande föreningar för användning i humanmedicin.

"Antibiotikumet tiostrepton är mycket potent mot grampositiva patogener och kan till och med rikta in sig på vissa bröstcancerceller i kultur, sa Squire Booker, en biokemist vid Penn State och utredare vid Howard Hughes Medical Institute. "Medan det har använts lokalt inom veterinärmedicin, hittills har det varit ineffektivt på människor eftersom det absorberas dåligt. Vi studerade de första stegen i tiostreptons biosyntes i hopp om att så småningom kunna kapa vissa processer och göra analoger av molekylen som kan ha bättre medicinska egenskaper. Viktigt, denna reaktion finns i biosyntesen av många andra antibiotika, och så har arbetet potential att bli långtgående."

Det första steget i tiostreptons syntes involverar en process som kallas metylering. En molekylär tagg som kallas metylgrupp, vilket är viktigt i många biologiska processer, läggs till en molekyl av tryptofan, reaktionens substrat. Ett av de viktigaste systemen för metylering av föreningar som inte är särskilt reaktiva, som tryptofan, involverar en klass av enzymer som kallas radikala SAM-proteiner.

"Radikala SAM-proteiner använder vanligtvis ett järn-svavelkluster för att klyva en molekyl som kallas S-adenosyl-L-metionin (SAM), producerar en "fri radikal" eller en oparad elektron som hjälper till att föra reaktionen framåt, sa Hayley Knox, en doktorand i kemi vid Penn State och första författare till uppsatsen. "Det enda undantaget som vi känner till hittills är proteinet som är involverat i biosyntesen av tiostrepton, kallas TsrM. Vi ville förstå varför TsrM inte sysslar med radikal kemi, så vi använde en avbildningsteknik som kallas röntgenkristallografi för att undersöka dess struktur i flera steg under hela reaktionen."

I alla radikala SAM-proteiner som hittills har karakteriserats, SAM binder direkt till järn-svavelklustret, som hjälper till att fragmentera molekylen för att producera den fria radikalen. Dock, forskarna fann att platsen där SAM vanligtvis skulle binda är blockerad i TsrM.

"Detta är helt annorlunda från alla andra radikala SAM-proteiner, " sa Booker. "Istället, den del av SAM som binder till klustret associerar med tryptofansubstratet och spelar en nyckelroll i reaktionen, i vad som kallas substratassisterad katalys."

Forskarna presenterar sina resultat i en artikel som publiceras den 18 januari i tidskriften Naturkemi .

När man löser strukturen, forskarna kunde sluta sig till de kemiska stegen under den första delen av tiostreptons biosyntes, när tryptofan metyleras. Kortfattat, metylgruppen från SAM överförs till en del av TsrM som kallas kobalamin. Sedan, med hjälp av en extra SAM-molekyl, metylgruppen överförs till tryptofan, regenerera fritt kobalamin och producera det metylerade substratet, som krävs för nästa steg i att syntetisera antibiotikan.

"Kobalamin är den starkaste nukleofilen i naturen, vilket betyder att den är mycket reaktiv, sade Knox. "Men substratet tryptofan är svagt nukleofilt, så en stor fråga är hur kobalamin någonsin skulle kunna undanträngas. Vi fann att en argininrest sitter under kobalaminen och destabiliserar metylkobalamin, tillåter tryptofan att tränga undan kobalamin och bli metylerad."

Därefter planerar forskarna att studera andra kobalaminberoende radikala SAM-proteiner för att se om de fungerar på liknande sätt. I sista hand, de hoppas kunna hitta eller skapa analoger av tiostrepton som kan användas i humanmedicin.

"TsrM är helt klart unikt när det gäller kända kobalaminberoende radikala SAM-proteiner och radikala SAM-proteiner i allmänhet, ", sa Booker. "Men det finns hundratusentals unika sekvenser av radikala SAM-enzymer, och vi vet fortfarande inte vad de flesta av dem gör. När vi fortsätter att studera dessa proteiner, vi kan ha många fler överraskningar."