A noncanonical PLP-dependent enzyme catalyzes β-serine biosynthesis in the edeine antibiotic pathway
تحدد هذه الدراسة وتُوصّف إنزيم EdeM، وهو إنزيم غير نمطي يعتمد على فوسفور بيريدوكسال (PLP) ويحفز إعادة الترتيب الجزيئي غير المسبوق لـ L-serine لإنتاج D-β-serine نقي تماثلياً من أجل التخليق الحيوي لمضاد "إيدين" (edeine) الحيوي، مما يوسع النطاق التحفيزي المعروف لإنزيمات PLP.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تعتمد الحياة على الأرض على مجموعة من عشرين وحدة بناء قياسية لتشييد البروتينات التي تدفع كل عملية بيولوجية. هذه هي الأحماض الأمينية ألفا، حيث تحمل ذرة كربون مركزية مجموعة أمين، ومجموعة كربوكسيل، وسلسلة جانبية. ومع ذلك، فإن الطبيعة تتجاوز أحياناً هذه المجموعة القياسية، وتدمج متغيرات غير عادية في جزيئات متخصصة مثل المضادات الحيوية. أحد هذه المتغيرات هو حمض بيتا الأميني، حيث ترتبط مجموعة الأمين بذرة الكربون الثانية في السلسلة بدلاً من الأولى. هذا التغيير الطفيف في الموقع يغير شكل الجزيء واستقراره، مما يجعله مقاوماً للإنزيمات التي تكسر البروتينات عادةً. وبينما كان العلماء يعرفون منذ زمن طويل كيف تخلق البكتيريا بعض هذه الأحماض البيتا الأمينية، إلا أن الطريقة المستخدمة لإنتاج واحد محدد يسمى "دي-بيتا-سيرين" (D-beta-serine) ظلت لغزاً، مما ترك فجوة في فهمنا لكيفية تجميع بعض المضادات الحيوية القوية.
لقد حل فريق من الباحثين في جامعة ماكماستر وجامعة بروك هذا اللغز من خلال تحديد وتوصيف إنزيم محدد يسمى "EdeM". هذا الإنزيم مسؤول عن صنع "دي-بيتا-سيرين" في المسار الذي ينتج "إيدين" (edeine)، وهو مضاد حيوي ببتيدي تصنعه بكتيريا تربة تسمى "بريفيباسيلوس بريفيس" (Brevibacillus brevis). ويعد هذا الاكتشاف مهماً لأن EdeM يقوم بتحول كيميائي لم يسبق رؤيته من قبل في هذه العائلة من الإنزيمات. فبينما تعمل معظم الإنزيمات من هذا النوع عن طريق تبادل الأجزاء بين جزيئين مختلفين، يقوم EdeM بأخذ جزيء واحد من الحمض الأميني الشائع "إل-سيرين" (L-serine) ويعيد ترتيب هيكله الداخلي لإنشاء نسخة "بيتا". وهو يفعل ذلك دون الحاجة إلى جزيء ثانٍ لاستقبال أو منح الأجزاء، ويفعل ذلك بدقة تامة، منتجاً شكلاً ثلاثي الأبعاد واحداً فقط للمنتج.
بدأ الباحثون بالبحث في التعليمات الجينية لصنع "إيدين". ووجدوا جيناً، edeM، يشبه جداً الجينات الخاصة بإنزيمات تُعرف باسم "الأمينوترانسفيراز" (aminotransferases). تعمل هذه الإنزيمات القياسية عادةً مثل مقصات وغراء جزيئي، حيث تقطع مجموعة الأمين من جزيء ما وتلحقها بجزيء آخر. ولاختبار ما فعله EdeM بالفعل، قام الفريق بإنتاج الإنزيم في المختبر وخلطه مع "إل-سيرين". ووجدوا أن EdeM يحول "إل-سيرين" إلى "دي-بيتا-سيرين" بمفرده، دون إضافة أي شركاء كيميائيين آخرين. كان هذا غير متوقع، حيث يتطلب النموذج القياسي لهذه الإنزيمات ركيزتين (substrates) مختلفتين لكي تعمل. وأظهرت تجارب إضافية أن EdeM انتقائي للغاية؛ فهو يعمل فقط على "إل-سيرين" ويتجاهل الأحماض الأمينية المماثلة الأخرى.
لفهم كيف يحدث هذا التفاعل أحادي الركيزة، احتاج العلماء إلى رؤية ما يتحرك بالضبط داخل الإنزيم. قاموا بزراعة بلورات من EdeM واستخدموا الأشعة السينية لرسم خريطته الذرية. بدا الإنزيم مثل "أمينوترانسفيراز" نموذجي، مبني من نصفين متطابقين يشكلان جيباً حيث يحدث التفاعل. وداخل هذا الجيب، وجدوا جزيئاً مساعداً يسمى PLP، والذي يعمل كمرساة كيميائية للحمض الأميني. كشف الهيكل أن الإنزيم يعتمد بشدة على أربعة من بقايا "التيروسين" (tyrosine residues) المحددة، وهي أحماض أمينية تحتوي على مجموعات هيدروكسيل، لتثبيت الركيزة في مكانها. وعندما قام الباحثون بتغيير هذه التيروسينات، توقف الإنزيم عن العمل، مما أثبت أنها ضرورية لهذا التفاعل الفريد.
استخدم الفريق بعد ذلك سلسلة من التجارب الذكية لتتبع مسار الذرات أثناء حدوث التفاعل. استخدموا الماء المحتوي على نسخة ثقيلة من الأكسجين لمعرفة ما إذا كان الإنزيم يكسر الجزيء ويعيد تجميعه باستخدام الماء، وهي خطوة شائعة في العديد من التفاعلات الكيميائية. أظهرت النتائج عدم دمج الأكسجين الثقيل، مما استبعد الآلية القياسية حيث يتم قطع الجزيء والتحلل المائي. كما استخدموا ثاني أكسيد الكربون الموسوم بنظير ثقيل لمعرفة ما إذا كان الإنزيم سيطلق ثاني أكسيد الكربون ثم يلتقط واحداً جديداً من الهواء. احتوى المنتج فقط على الكربون الأصلي من المادة البادئة، مما أثبت أن ثاني أكسيد الكربون لم يتم إطلاقه أبداً في المحلول المحيط.
كانت الأدلة الأكثر كشفاً تأتي من تتبع حركة ذرات الكربون وذرات الهيدروجين. من خلال استخدام "إل-سيرين" حيث تم وسم ذرات الكربون، اكتشفوا أن ذرة الكربون التي كانت في الأصل في الموقع الثاني في السلسلة انتقلت إلى الموقع الثالث في المنتج النهائي. وفي الوقت نفسه، انتقلت مجموعة الكربوكسيل، التي كانت مرتبطة بالكربون الأول، إلى الموقع الثالث الجديد. وهذا يعني أن الهيكل الكربوني الكامل للجزيء قد أعاد ترتيب نفسه. وأظهرت اختبارات أخرى باستخدام الهيدروجين الثقيل أن ذرتي هيدروجين تمت إضافتهما إلى الموقع الجديد، مما أكد أن التفاعل تضمن هجرة محددة لمجموعة الكربوكسيل من طرف إلى آخر في الجزيء.
ولشرح كيفية حدوث هذه الهجرة، لجأ الباحثون إلى المحاكاة الحاسوبية. قاموا بنمذجة التفاعل داخل الموقع النشط للإنزيم واختبروا مسارين محتملين. تضمن أحد الأفكار تكوين حلقة ثلاثية الأعضاء شديدة التوتر مؤقتاً، تشبه مثلثاً ملتوياً، قبل أن تنفتح مرة أخرى. وبينما أظهر الكمبيوتر أن هذا الشكل يمكن أن يوجد، إلا أنه لم يجد مساراً واضحاً للوصول إليه. أما النموذج الآخر فقد تضمن انزلاقاً مباشماً وسلساً لمجموعة الكربوكسيل من كربون إلى آخر، وهي عملية تُعرف باسم "هجرة 1,2" (1,2-migration). أظهرت عمليات المحاكاة أن هذا المسار المباشر له حاجز طاقة منخفض جداً، مما يعني أنه يمكن أن يحدث بسهولة، وأن بقايا التيروسين المحددة في الإنزيم تعمل كدعامة لتثبيت الأجزاء المتحركة أثناء التحول. وتتوافق آلية "هجرة 1,2" هذه مع جميع البيانات التجريبية، مما يفسر كيف ينقل الإنزيم مجموعة الكربوكسيل دون تفكيك الجزيء أو إطلاق ثاني أكسيد الكربون.
يكشف هذا الاكتشاف عن طريقة جديدة يمكن للطبيعة من خلالها التلاعب بالأحماض الأمينية. يوسع EdeM القدرات المعروفة لإنزيمات "PLP-dependent"، مبيناً أنها تستطيع القيام بإعادة ترتيبات داخلية معقدة دون الشركاء أو الخطوات المعتادة. ينتج الإنزيم "دي-بيتا-سيرين" بتحكم كيميائي فراغي مثالي، خالقاً شكلاً واحداً نقياً من الجزيء. ومن المثير للاهتمام أن مضاد "إيدين" الحيوي النهائي يحتوي على شكل "إل" من "بيتا-سيرين"، مما يشير إلى أن إنزيماً آخر يجب أن يقلب شكل الجزيء بعد أن يصنعه EdeM، وهي خطوة لا تزال قيد البحث. ومن خلال تحديد هذا المسار الإنزيمي الفريد، توفر الدراسة مخططاً لكيفية بناء البكتيريا للمضادات الحيوية المعقدة وتقدم أداة جديدة للعلماء الذين يرغبون في ابتكار جزيئات مماثلة للاستخدام الطبي. يسلط هذا العمل الضوء على القدرة الهائلة للمحفزات البيولوجية، والتي يمكن أن تتطور للقيام بمهام كيميائية كانت تُعتبر مستحيلة سابقاً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.