Att naturen är en utmärkt kemist visar sig i överflöd av molekyler, så kallade naturprodukter, som den producerar biosyntetiskt. Dessa naturprodukter är också av central betydelse för oss människor. De används på många sätt i vår vardag, särskilt som aktiva medel inom medicin och jordbruk. Framträdande exempel är antibiotika som penicilin isolerade från mögel, cancerläkemedlet Taxol från idegranen från Stilla havet och pyretriner som finns i krysantemum, som används för att bekämpa skadedjursangrepp.

Kunskapen och förståelsen för biosyntetisk sammansättning av sådana föreningar av naturen är väsentlig för utveckling och produktion av läkemedel baserade på sådana föreningar. I detta sammanhang undersökte forskare från grupperna Prof. Tobias Gulder (TU Dresden) och Prof. Tanja Gulder (Leipzigs universitet) tillsammans biosyntesen av cyanobakterin, som är mycket giftigt för fotosyntetiska organismer och produceras i små mängder i naturen av cyanobacterium Scytonema hofmanni. I sitt arbete kunde (bio)kemisterna inte bara belysa biosyntesen av naturprodukten för första gången, utan upptäckte också en ny enzymatisk transformation för bildandet av kol-kolbindningar.

Detta arbete möjliggjordes genom att kombinera moderna verktyg från bioinformatik, syntetisk biologi, enzymologi och (bio)kemisk analys. Fokus låg på hur den centrala delen av cyanobakterinkolskelettet produceras. De förmodade generna för detta klonades först med metoden "Direct Pathway Cloning" (DiPaC) och aktiverades sedan i modellorganismen E. coli som en cellfabrik.

DiPaC är en ny syntetisk biologisk metod som tidigare utvecklats i laboratoriet av Tobias Gulder, professor i teknisk biokemi vid TU Dresden. "DiPaC tillåter oss att överföra hela naturliga produkters biosyntetiska vägar till rekombinanta värdsystem mycket snabbt och effektivt," förklarar Tobias Gulder.

I nästa steg analyserade forskargruppen de väsentliga individuella stegen i cyanobakterinbiosyntesen genom att dessutom producera alla nyckelenzymer i värdorganismen E.coli, isolera dem och sedan undersöka funktionen av varje enzym. I processen kom de över en tidigare okänd klass av enzymer som kallas furanolidsyntaser. Dessa är kapabla att katalysera bildandet av kol-kolbindningar efter en ovanlig mekanism. I ytterligare studier av dessa furanolidsyntaser visade sig dessa enzymer vara effektiva in vitro biokatalysatorer, vilket gör dem mycket attraktiva för biotekniska tillämpningar.

"Med furanolidsyntaserna har vi fått ett enzymverktyg som gör att vi kan utveckla mer miljövänliga metoder för framställning av bioaktiva föreningar i framtiden och därmed ge betydande bidrag till en mer hållbar kemi", förklarar prof. Tanja Gulder från Institutet för organisk kemi vid Leipzigs universitet.

Därefter vill de två forskarteamen specifikt söka efter dessa nya biokatalysatorer även i andra organismer, och på så sätt hitta nya bioaktiva medlemmar av denna naturproduktklass, samt utveckla metoder för bioteknologisk produktion och strukturell diversifiering av cyanobakterin. "Vårt arbete banar väg för den omfattande utvecklingen av en spännande klass av naturliga produkter för tillämpningar inom medicin och jordbruk", är de två forskarna överens.

Forskningen publicerades i Nature Chemical Biology . + Utforska vidare

Cyanobakterier:Små kandidater som stora förhoppningar för medicin och bioteknik