Исследователи описали «неправдоподобную» химию, производящую гербицидное соединение

Почвенная бактерия, использующая химическую войну против конкурентов, применяет необычный химический путь для создания своего оружия. Она использует фермент, способный делать то, что не делает ни один другой известный фермент: разрывать неактивированную углерод-углеродную (C–C) связь в один этап.

Исследование, опубликованное в журнале Nature, впервые описывает трёхмерную структуру фермента — гидроксиэтилфосфонатдиоксигеназы (HEPD) — и предлагает механизм его работы.

Как сообщил соавтор работы Вилфред ван дер Донк, этот «весьма неправдоподобный» фермент был впервые обнаружен исследователями из Университета Иллинойса в 2007 году. «Фермент необычен тем, что разрывает углерод-углеродную связь, не нуждаясь ни в чём, кроме кислорода».

Исследование важно, потому что HEPD катализирует критический этап в химическом пути производства фосфинотрицина (PT) — бактериального соединения, широко используемого в качестве сельскохозяйственного гербицида. Это соединение является компонентом двух самых продаваемых средств от сорняков (Liberty и Basta) и эффективно при использовании с трансгенными культурами, в ДНК которых встроен ген устойчивости к PT. Этот ген устойчивости также происходит от бактерий, производящих PT (род Streptomyces). Он позволяет бактериям выделять антибиотик, убивая конкурентов, но не себя. Аналогично, кукуруза и другие культуры с этим геном устойчивы к гербицидам на основе PT, которые уничтожают сорняки вокруг них.

Новые данные — часть продолжающегося изучения природных молекул, содержащих связи углерод-фосфор (C–P). Хотя они мало изучены, эти фосфонаты (связь C–P) и фосфинаты (связь C–P–C) уже широко используются в сельском хозяйстве и медицине. К этому классу соединений относятся гербицид глифосат, средство для лечения остеопороза алендронат, противомалярийный препарат фосмидомицин и антибиотики фосфомицин, дегидрофос и плюмбемицин.

Структурно фосфонаты и фосфинаты похожи на другие соединения, используемые ферментами в природе. Они могут связываться с теми же ферментами и, таким образом, ингибировать обычные клеточные процессы в бактериях или других организмах. Это делает их привлекательными кандидатами для разработки новых антибиотиков.

Понимание того, как бактерии синтезируют эти соединения, также позволяет учёным прогнозировать, как у бактерий может развиться устойчивость к любым новым разработанным лекарствам. «Знание того, как соединение производится, может позволить создать его аналог, способный преодолеть эту устойчивость. Это игра, которая ведётся с пенициллином последние 40 лет», — отметил ван дер Донк.

Исследователи надеются, что новые результаты стимулируют разработку гораздо более мелких, дешёвых и эффективных синтетических катализаторов, которые также смогут разрывать C–C связи в один этап. «Каждый раз, когда мы находим что-то новое в природе, это вдохновляет попытаться скопировать эту реакционную способность с помощью малой молекулы».