A) Hapalindol U, paerucumarin, rhabduscin och byelyankacin biosyntetiseras via 1, 2 eller 3 som nyckelmellanprodukter. Järn- och 2-oxoglutaratberoende enzymer katalyserar dekarboxyleringsassisterad desaturation och formell dehydrering för att installera grupper av vinylisonitril (1 och 3) respektive isocyanoakrylat (2). Desaturationspositionen är markerad i rött. B) Substratanaloger (5–8) och mekanistiska prober (9–10) som används i denna studie. Kredit:Wantae Kim et al, Nature Communications (2022). DOI:10.1038/s41467-022-32870-4
Forskare från North Carolina State University och University of Texas i Austin har definierat strukturen av ett substratbundet järn-2-oxoglutarat (Fe/2OG) enzym för att undersöka om dessa enzymer kan användas för att skapa ett brett spektrum av molekyler. De undersökte enzymets aktiva plats för att bestämma dess förmåga att binda till olika substrat. Dessutom, snarare än syretillsats, såg de att Fe/2OG-enzymer sannolikt använder katjoner - mycket reaktiva arter - för att driva desaturation under katalys. Verket, publicerat i Nature Communications , skulle kunna leda till användningen av Fe/2OG-enzymer för att göra ett brett spektrum av värdefulla molekyler.
Enzymer i Fe/2OG-familjen är naturligt förekommande - de finns i allt från bakterier till växter och djur. Som sådana har dessa enzymer potential att användas som en grönare, mer effektiv plattform för att skapa molekyler som vinylisonitriler, som har antibiotiska egenskaper. De vägar genom vilka Fe/2OG-enzymer skapar dessa molekyler är dock dåligt förstådda.
"Slutet är att förstå hur enzymerna i den här familjen skapar speciella molekyler, så att vi potentiellt kan piggyback på en naturlig process som nuvarande kemi inte kan replikera", säger Wei-chen Chang, docent i kemi vid North Carolina State University och co. -motsvarande författare till en artikel som beskriver arbetet. "Så vi tittade på ett par olika enzymer inom Fe/2OG-familjen för att se hur de utförde olika transformationer med samma substrat eller molekyl som de binder till."
Genom att fokusera på hur enzymet binder till ett visst substrat kan forskarna avgöra vilka andra substrat som kan användas av enzymet, ett mer effektivt sätt att bestämma potentiella reaktioner och produkter än experiment.
Forskargruppen fokuserade på två Fe/2OG-enzymer — PvcB och PlsnB — och jämförde deras strukturer och produkterna de tillverkade. De identifierade bindningsställen på båda enzymerna, men när det gällde att utforska hur enzymet utförde sina transformationer gjorde de ett överraskande fynd.
"Normalt händer hur Fe/2OG-enzymer katalyserar eller skapar en ny produkt så här:enzymet binder till substratet, en enda syreatom från molekylärt syre (O2 ) införs i substratet och syretillsats driver reaktionen," säger Chang. "Den processen kallas hydroxylering.
"Men för dessa enzymer drivs transformationen eller reaktionen inte av hydroxylering, utan av en reaktiv katjon som utlöser de efterföljande desaturationerna, där nya bindningar introduceras."
De två Fe/2OG-enzymer som studerades (PIsnB och PvcB) använde fundamentalt distinkt desaturation för att skapa olika produkter från samma substrat.
"Nu vet vi hur dessa enzymer katalyserar transformationer och har hittat bindningsställena, vi har en grund för att bestämma vad de kan göra när det gäller reaktioner," säger Chang. "Vi kan också rekommendera och förutsäga de bästa substraten att använda för att få riktade produkter." + Utforska vidare
