Po 80 latach badań wiemy, jak natura tworzy penicylinę
Trzeba było 80 lat badań od momentu, gdy naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego uczynili penicylinę pierwszym masowo produkowanym antybiotykiem, by w końcu nauka odkryła, w jaki sposób natura tworzy strukturę tego typu antybiotyków. Od końca lat 30. ubiegłego wieku antybiotyki β-laktamowe są jednymi z najważniejszych leków służących zwalczaniu zakażeń bakteryjnych.
Ich aktywność zależy od pierścienia β-laktamowego, który zakłóca syntezę ściany komórkowej bakterii, prowadząc do śmierci mikroorganizmu. Odkrycie, w jaki sposób powstaje ten pierścień może być nieocenioną pomocą przy tworzeniu nowych antybiotyków, co ma krytyczne znaczenie wobec coraz poważniejszego kryzysu antybiotykooporności.
Patrick Rabe, Rebecca Southwart i Christopher J. Schofield z Uniwersytetu Oksfordzkiego, Hiroki Makita z Lawrence Berkeley National Laboratory, Midhun George Thomas z Michigan Technological University, Mihails Kazaks z Łotewskiego Instytutu Syntezy Organicznej i ich zespół opisali na łamach Nature Catalysis, jak natura radzi sobie z trudnym zadaniem powstania penicyliny. Wytworzenie jej szkieletu to naprawdę wyczyn. Z krótkiego łańcucha trzech aminokwasów budowane są dwa połączone pierścienie. Operacja ta wykonywana jest za pomocą jednego enzymu. Autorzy najnowszego artykułu uchwycili nieznane dotychczas szczegóły tego procesu.
Syntaza izopenicyliny N (IPNS) uczestniczy w biosyntezie penicylin i cefalosporyn. We wnętrzu tego enzymu znajduje się jon żelaza, który pomaga w wykorzystaniu tlenu. A w wyniku całego procesu powstaje izopenicylina N, zawierająca czteroczłonowy pierścień beta-laktamowy i pięcioczłonowy pierścień zawierający atom siarki.
Nauka od dekad próbowała zrozumieć, jak przebiega ten proces. Problem w tym, że jego najbardziej interesujące etapy są bardzo nietrwałe, trudno je obrazować. W końcu się udało.
Badacze, by zajrzeć do wnętrza pracującego enzymu, wykorzystali laser rentgenowski na swobodnych elektronach. Na przesuwającą się taśmę o szerokości 2 mm nanieśli w warunkach beztlenowych tysiące mikroskopijnych kropli zawierających mikrokryształy enzymu. Gdy taśma wchodziła do komory wypełnionej tlenem, rozpoczynała się reakcja. Dzięki precyzyjnej kontroli prędkości przesuwu taśmy badacze mogli określić czas trwania reakcji w każdym krysztale przed jego dotarciem do miejsca interakcji z promieniowaniem rentgenowskim, gdzie ultraszybkie impulsy rejestrowały obrazy o rozdzielczości atomowej.
Zestawienie tysięcy takich obrazów pozwoliło na stworzenie „filmu molekularnego” obrazującego przebieg biosyntezy penicyliny.
Największą niespodzianką było zachowanie siarki. Początkowo łączy ona wspomniany łańcuch trzech aminokwasów z żelazem, jednak podczas powstawania związku pośredniego, tioaldehydu, połączenie to znika. Siarka odsuwa się od żelaza, a wiązanie zostanie odtworzone przy tworzeniu pierścienia beta-laktamowego. Później zamyka się drugi z pierścieni. Bardzo ważną rolę odgrywają w całym procesie cząsteczki wody znajdujące się wewnątrz enzymu. Niewielkie zmiany konformacyjne w obrębie enzymu wspomagają przebieg poszczególnych etapów.
Nie wszystko udało się zobrazować, część procesów ustalono dzięki obliczeniom i dodatkowym doświadczeniom. Odkrycie to dostarcza najdokładniejszego obrazu naturalnej syntezy antybiotyków i pokazuje, że o wyniku złożonej reakcji mogą decydować ruchy jednego atomu i kilku cząsteczek wody.
Szczegóły opublikowano na łamach Nature Catalysis w artykule Unanticipated intermediates during isopenicillin N synthase catalysis identified by time-resolved X-ray free-electron laser studies.
Komentarze (0)