Фермент грибов показывает молекулам, в какую сторону повернуть

Небольшой фермент грибов может сыграть значительную роль в упрощении разработки и производства лекарств, согласно учёным из Университета Райса.

Лаборатория химического и биомолекулярного инженера Сюэ Шерри Гао выделила биокатализатор, известный как CtdE, определив его как естественный механизм, контролирующий хиральность — «лево-» или «праворукость» — соединений, производимых исходным грибным организмом.

Исследование с открытым доступом опубликовано в Nature Communications.

Две хиральные вещи, подобно рукам, схожи по структуре, но не могут идеально совпасть. Поскольку это свойство важно для разработки лекарств, правильно связывающихся с мишенями, способность достигать 100% правильной хиральности крайне желательна, отмечает Гао.

«Это важно, потому что если у фармацевтического препарата неправильная стереохимия (хиральность в трёх измерениях), он может стать ядом для человека, даже если плоская химическая структура та же», — сказала она.

Как ориентация «лево» или «право» у хиральных объектов, ориентация 3S или 3R определяется стереоцентром молекулы — одноатомным соединением между частями молекулы, поясняет Гао.

Но если природа справляется с этим процессом легко, для химиков селективный синтез стереоцентров был сложной задачей. Весь механизм способности природы контролировать, имеет ли молекула ориентацию 3S или 3R, оставался скрытым до сих пор.

Понимание того, как это работает у грибов, и анализ его структуры может дать учёным, особенно тем, кто разрабатывает лекарства, новый инструмент химического синтеза.

Объект исследования — биологически активное природное соединение 21R-цитринадин A, обнаруженное в 2004 году в морском штамме гриба Penicillium citrinum. Оно токсично для лейкемии у мышей и клеток рака лёгких человека.

«21R-цитринадин A — очень сложная молекула с восемью стереоцентрами, — сказала Гао. — В некотором смысле, статья подчёркивает, как природа использует ферменты для синтеза такой сложной молекулы с такой точностью. Контролировать восемь разных стереоцентров — это много».

Она отметила, что молекула включает «очень интригующее» 3S-спирооксиндольное кольцо. «Природа производит несколько других химических веществ со сходной спирооксиндольной фармакофорой, — сказала Гао. — Однако нам стало очень интересно, что некоторые из них содержат 3R-спирооксиндольное кольцо, противоположное 3S в цитринадинах.

Все гены, ответственные за экспрессию этой малой молекулы, сгруппированы вместе у этих грибов, поэтому сначала мы нашли этот кластер генов и изучили каждый ген индивидуально, чтобы понять, какой из них может быть наиболее важным для катализа конкретных химических превращений».

«Как только мы его находим, мы можем взять этот ген из гриба, поместить его обратно в удобный для использования организм-хозяин, E. coli, а затем использовать технологию очистки белка, чтобы выделить и проверить его функцию в пробирке, — пояснила Гао. — Делая всё вне гриба, мы можем быть уверены, что только один фермент выполняет эту одну функцию».

Модифицированные E. coli производят белок CtdE в больших количествах. При последующем использовании в химических превращениях CtdE катализировал желаемую 3S-стереоселективность во всех случаях. «Спирооксиндоль уже трудно синтезировать, — сказала она. — Наша цель состояла в том, чтобы понять механизм, с помощью которого фермент контролирует эту специфическую 3S-стереохимию».

Биоинформатический анализ, рентгеновская кристаллография и эксперименты подтвердили, что CtdE исключительно ответственен за катализ 3S-стереоселективности, заявила Гао. (Другой фермент, PhqK, как уже было известно, катализирует 3R-ориентацию.) «Наличие набора из двух ферментов, дающих точный контроль над стереохимией, в конечном итоге улучшит синтез в фармацевтическом производстве», — сказала она.

Гао отметила, что поскольку CtdE работает при комнатной температуре, это также поможет сохранить химию «зелёной». «Надеюсь, эти биокатализаторы будут катализировать химические реакции более экологически чистым способом», — добавила она.

Соавторами исследования являются постдоки Чживэнь Лю и Фанлун Чжао из Райса и аспирант Боян Чжао из Медицинского колледжа Бейлора.