Химики создают сложные кислородсодержащие молекулы, которые обычно вырабатываются растениями

Патоген холеры может приобретать большие участки генетического материала от соседних бактерий

Химики из Scripps Research эффективно создали три семейства сложных кислородсодержащих молекул, которые обычно можно получить только из растений.

Эти молекулы, называемые терпенами, являются потенциальной отправной точкой для новых лекарств и других ценных продуктов, что знаменует собой важное событие для многих отраслей промышленности. Кроме того, новый подход может позволить химикам создавать многие другие классы соединений.

Подвиг в области химии подробно описан в выпуске журнала Science от 13 августа от 13 августа.

Ключом к этому новому методу создания молекул является использование или похищение природных ферментов – в данном случае бактерий – для помощи в сложных химических превращениях, которые были непрактичны или невозможны только с помощью методов синтетической химии. – говорит главный исследователь Ханс Рената, доктор философии, доцент кафедры химии Scripps Research.

Природные ферменты, которые помогают строить молекулы в клетках, обычно выполняют только одну или две узкоспециализированные задачи. Но команда Scripps Research показала, что природные ферменты, даже без модификации, можно заставить выполнять более широкий круг задач.

«Мы думаем, что в целом ферменты – это в основном неиспользованный ресурс для решения проблем химического синтеза», – говорит Рената. «Ферменты, как правило, обладают некоторой степенью беспорядочной активности с точки зрения их способности стимулировать химические реакции, выходящие за рамки их основной задачи, и мы смогли воспользоваться этим здесь»

Использование скрытых талантов ферментов

Ферменты помогают строить молекулы у всех видов растений, животных и микробов. Вдохновленные своей эффективностью в создании очень сложных молекул, химики на протяжении более полувека использовали ферменты в лаборатории, чтобы создавать ценные соединения, в том числе лекарственные соединения, но обычно это те же самые молекулы, которые ферменты помогают создавать в природе.

Более широкое использование природных ферментов в зависимости от их основной биохимической активности – новая стратегия с огромным потенциалом.

«Сейчас мы считаем, что всякий раз, когда мы хотим синтезировать сложную молекулу, решение, вероятно, уже существует среди природных ферментов – нам просто нужно знать, как найти ферменты, которые будут работать», – говорит старший автор Бен Шен, доктор философии. , заведующий кафедрой химии в кампусе Флориды и директор Центра исследований природных продуктов Scripps Research.

Группе удалось создать девять терпенов, которые, как известно, производятся в Isodon, семействе цветковых растений, родственных мяте. Комплексные соединения принадлежат к трем семействам терпенов с родственными химическими структурами: энт-каураны, энт-атисаны и энт-трахилобаны. Члены этих семейств терпенов обладают широким спектром биологической активности, включая подавление воспаления и роста опухолей.

Рецепт успеха синтеза

Синтез каждого соединения менее чем за 10 этапов для каждого представлял собой гибридный процесс, сочетающий современные методы органического синтеза с ферментно-опосредованным синтезом, начиная с недорогого соединения, называемого стевиозидом, основного компонента искусственного подсластителя стевии.

Главным препятствием была прямая замена атомов водорода атомами кислорода в сложной структуре углеродного скелета исходного соединения. Современные методы органического синтеза имеют ограниченный арсенал для таких превращений.

Однако природа произвела множество ферментов, которые могут активировать эти преобразования, каждый из которых способен выполнять свою функцию со степенью контроля, не имеющей себе равных с помощью искусственных методов.

Будучи междисциплинарной исследовательской группой, мы были полностью осведомлены об ограничениях существующих методов органического синтеза, но также и о многих уникальных способах, которыми ферменты могут преодолеть эти ограничения – и у нас было понимание объединить традиционную синтетическую химию с ферментативными методами. синергетическим образом ".

Ханс Рената, доктор философии, главный исследователь и доцент, кафедра химии, Исследовательский институт Скриппса

Три использованных фермента, которые были идентифицированы и охарактеризованы Шеном, Ренатой и его коллегами только в прошлом году, естественным образом производятся бактерией – одной из более чем 200 000 видов в коллекции микробных штаммов Центра исследований природных продуктов Scripps Research. .

«Мы смогли использовать эти ферменты не только для модификации исходных молекул или каркасов, как мы их называем, но и для превращения одного каркаса в другой, чтобы мы могли преобразовать терпен из одного семейства в терпен из другого семья ", – говорит второй автор Эмма Кинг-Смит, аспирант лаборатории Ренаты.

Теперь химики намереваются использовать свой новый подход для получения полезных количеств девяти соединений, а также их химических вариантов, и совместно с сотрудничающими лабораториями исследовать их свойства в качестве потенциальных лекарств или других продуктов.

«С нашей стратегией мы можем сделать эти сильно окисленные дитерпены намного проще и в больших количествах, чем это было бы возможно, если изолировать их от растений, где они встречаются в природе», – говорит первый автор Сяо Чжан, доктор философии, постдокторское исследование сотрудник лаборатории Ренаты.

Не менее важно, говорят исследователи, они работают над определением реакций и ферментов, которые позволят им расширить свой подход на другие классы молекул.

Центральным во всех этих усилиях является постоянная разработка методов просеивания ДНК микробов и других организмов для идентификации ферментов, которые они кодируют, и прогнозирования активности этих ферментов.

Миллиарды различных ферментов существуют у растений, животных и бактерий на Земле, и лишь малая часть из них на сегодняшний день каталогизирована.

«Мы очень рады возможности открытия новых и полезных ферментов из нашей библиотеки штаммов здесь, в Scripps Research», – говорит Рената. «Мы думаем, что это позволит нам решить многие другие проблемы химического синтеза».

Источник:

Исследовательский институт Скриппса

Source link