A noncanonical PLP-dependent enzyme catalyzes β-serine biosynthesis in the edeine antibiotic pathway
Cette étude identifie et caractérise EdeM, une enzyme non canonique dépendante de la PLP qui catalyse le réarrangement intramoléculaire inédit de la L-sérine pour produire de la D-β-sérine énantiomériquement pure pour la biosynthèse de l'antibiotique édeine, élargissant ainsi le répertoire catalytique connu des enzymes à PLP.
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La vie sur Terre repose sur un ensemble de vingt briques élémentaires standards pour construire les protéines qui pilotent tout processus biologique. Il s'agit des alpha-aminoacides, où un atome de carbone central retient un groupe amine, un groupe carboxyle et une chaîne latérale. Cependant, la nature va parfois au-delà de cet ensemble standard, en incorporant des variantes inhabituelles dans des molécules spécialisées comme les antibiotiques. L'une de ces variantes est le bêta-aminoacide, où le groupe amine est attaché au deuxième carbone de la chaîne plutôt qu'au premier. Ce petit décalage de position modifie la forme et la stabilité de la molécule, la rendant résistante aux enzymes qui décomposent habituellement les protéines. Bien que les scientifiques sachent depuis longtemps comment les bactéries créent certains de ces bêta-aminoacides, la méthode utilisée pour produire un variant spécifique appelé D-bêta-sérine est restée un mystère, laissant une lacune dans notre compréhension de la façon dont certains antibiotiques puissants sont assemblés.
Une équipe de chercheurs de l'Université McMaster et de l'Université Brock a désormais résolu ce casse-tête en identifiant et en caractérisant une enzyme spécifique nommée EdeM. Cette enzyme est responsable de la création de la D-bêta-sérine dans la voie de production de l'édéine, un peptide antibiotique produit par une bactérie du sol appelée Brevibacillus brevis. La découverte est significative car EdeM réalise une transformation chimique qui n'avait jamais été vue auparavant dans cette famille d'enzymes. Alors que la plupart des enzymes de ce type fonctionnent en échangeant des parties entre deux molécules différentes, EdeM prend une molécule unique de l'aminoacide commun L-sérine et réorganise sa structure interne pour créer la version bêta. Elle y parvient sans avoir besoin d'une seconde molécule pour accepter ou donner des parties, et elle le fait avec une précision parfaite, produisant une seule forme 3D spécifique du produit.
Les chercheurs ont commencé par examiner les instructions génétiques pour fabriquer l'édéine. Ils ont trouvé un gène, edeM, qui ressemblait beaucoup aux gènes d'enzymes connues sous le nom d'aminotransférases. Ces enzymes standards agissent généralement comme des ciseaux et de la colle moléculaires, coupant un groupe amine d'une molécule pour l'attacher à une autre. Pour tester ce que faisait réellement EdeM, l'équipe a produit l'enzyme en laboratoire et l'a mélangée à la L-sérine. Ils ont découvert qu'EdeM convertissait la L-sérine en D-bêta-sérine toute seule, sans ajouter d'autres partenaires chimiques. C'était inattendu, car le modèle standard pour ces enzymes nécessite deux substrats différents pour fonctionner. Des expériences supplémentaires ont montré qu'EdeM est extrêmement sélective ; elle ne travaille que sur la L-sérine et ignore les autres aminoacides similaires.
Pour comprendre comment cette réaction à substrat unique se produit, les scientifiques avaient besoin de voir exactement ce qui se déplace à l'intérieur de l'enzyme. Ils ont fait croître des cristaux d'EdeM et ont utilisé des rayons X pour cartographier sa structure atomique. L'enzyme ressemblait à une aminotransférase typique, construite à partir de deux moitiés identiques qui forment une poche où la réaction se produit. À l'intérieur de cette poche, ils ont trouvé une molécule d'aide appelée PLP, qui sert d'ancre chimique pour l'aminoacide. La structure a révélé que l'enzyme repose fortement sur quatre résidus tyrosine spécifiques, qui sont des acides aminés possédant des groupes hydroxyle, pour maintenir le substrat en place. Lorsque les chercheurs ont muté ces tyrosines, l'enzyme a cessé de fonctionner, prouvant qu'elles sont essentielles à cette réaction unique.
L'équipe a ensuite utilisé une série d'expériences ingénieuses pour tracer le chemin des atomes au fur et à mesure que la réaction se déroulait. Ils ont utilisé de l'eau contenant une version lourde de l'oxygène pour voir si l'enzyme brisait la molécule et la réassemblait avec de l'eau, une étape courante dans de nombreuses réactions chimiques. Les résultats ont montré aucune incorporation de l'oxygène lourd, excluant le mécanisme standard où la molécule est coupée et hydrolysée. Ils ont également utilisé du dioxyde de carbone marqué avec un isotope lourd pour voir si l'enzyme libérait du dioxyde de carbone puis en récupérait un nouveau dans l'air. Le produit ne contenait que le carbone d'origine de la matière première, prouvant que le dioxyde de carbone n'avait jamais été libéré dans la solution environnante.
Les indices les plus révélateurs sont venus du suivi du mouvement des atomes de carbone et d'hydrogène. En utilisant de la L-sérine où les atomes de carbone étaient marqués, ils ont découvert que l'atome de carbone qui se trouvait à la deuxième position dans la chaîne s'est déplacé vers la troisième position dans le produit final. Simultanément, le groupe carboxyle, qui était attaché au premier carbone, s'est déplacé vers la nouvelle troisième position. Cela signifiait que l'ensemble du squelette carboné de la molécule s'était réorganisé. Des tests supplémentaires avec de l'hydrogène lourd ont montré que deux atomes d'hydrogène ont été ajoutés à la nouvelle position, confirmant que la réaction impliquait une migration spécifique du groupe carboxyle d'un bout à l'autre de la molécule.
Pour expliquer comment cette migration se produit, les chercheurs se sont tournés vers des simulations informatiques. Ils ont modélisé la réaction à l'intérieur du site actif de l'enzyme et ont testé deux voies possibles. Une idée impliquait la formation d'un anneau à trois chaînons temporaire et très contraint, semblable à un triangle tordu, avant de se rouvrir. Bien que l'ordinateur ait montré que cette forme pouvait exister, il n'a pas trouvé de chemin clair pour que la réaction y parvienne. L'autre modèle impliquait un glissement direct et fluide du groupe carboxyle d'un carbone à l'autre, un processus connu sous le nom de migration 1,2. Les simulations ont montré que ce chemin direct présentait une barrière énergétique très faible, ce qui signifie qu'il pouvait se produire facilement, et que les résidus tyrosine spécifiques dans l'enzyme agissaient comme un échafaudage pour stabiliser les parties mobiles pendant le transfert. Ce mécanisme de migration 1,2 correspond à toutes les données expérimentales, expliquant comment l'enzyme déplace le groupe carboxyle sans briser la molécule ni libérer de dioxyde de carbone.
Cette découverte révèle une nouvelle façon dont la nature peut manipuler les acides aminés. EdeM étend les capacités connues des enzymes dépendantes du PLP, montrant qu'elles peuvent effectuer des réarrangements internes complexes sans les partenaires ou les étapes habituels. L'enzyme produit la D-bêta-sérine avec un contrôle stéréochimique parfait, créant une forme unique et pure de la molécule. Curieusement, l'antibiotique édeine final contient la forme L du bêta-sérine, ce qui suggère qu'une autre enzyme doit inverser la forme de la molécule après qu'EdeM l'a fabriquée, une étape qui reste à découvrir. En définissant cette voie enzymatique unique, l'étude fournit un plan de construction pour la manière dont les bactéries fabriquent des antibiotiques complexes et offre un nouvel outil aux scientifiques qui souhaitent créer des molécules similaires à des fins médicales. Ce travail souligne l'incroyable polyvalence des catalyseurs biologiques, qui peuvent évoluer pour accomplir des prouesses chimiques que l'on pensait auparavant impossibles.
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