A noncanonical PLP-dependent enzyme catalyzes β-serine biosynthesis in the edeine antibiotic pathway
यह अध्ययन EdeM की पहचान और लक्षण वर्णन करता है, जो एक गैर-परंपरागत (noncanonical) PLP-निर्भर एंजाइम है जो एडीन (edeine) एंटीबायोटिक जैवसंश्लेषण के लिए एनैन्टीओमेरिक रूप से शुद्ध D-β-सेरीन उत्पन्न करने हेतु L-सेरीन के अभूतपूर्व अंतःआणविक पुनर्व्यवस्था (intramolecular rearrangement) को उत्प्रेरित करता है, जिससे PLP एंजाइमों के ज्ञात उत्प्रेरक भंडार का विस्तार होता है।
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पृथ्वी पर जीवन प्रोटीन बनाने के लिए बीस मानक निर्माण खंडों के एक सेट पर निर्भर करता है जो हर जैविक प्रक्रिया को संचालित करते हैं। ये अल्फा-अमीनो एसिड हैं, जहाँ एक केंद्रीय कार्बन परमाणु एक अमीनो समूह, एक कार्बोक्सिल समूह और एक साइड चेन (पार्श्व श्रृंखला) को थामे रहता है। हालाँकि, प्रकृति कभी-कभी इस मानक सेट से परे जाकर एंटीबायोटिक्स जैसे विशेष अणुओं में असामान्य वेरिएंट शामिल करती है। ऐसा ही एक वेरिएंट बीटा-अमीनो एसिड है, जहाँ अमीनो समूह श्रृंखला के पहले कार्बन के बजाय दूसरे कार्बन से जुड़ा होता है। स्थिति में यह छोटा सा बदलाव अणु के आकार और स्थिरता को बदल देता है, जिससे यह उन एंजाइमों के प्रति प्रतिरोधी हो जाता है जो आमतौर पर प्रोटीन को तोड़ते हैं। जबकि वैज्ञानिक लंबे समय से जानते थे कि बैक्टीरिया इनमें से कुछ बीटा-अमीनो एसिड कैसे बनाते हैं, लेकिन D-बीटा-सेरीन नामक एक विशिष्ट अणु को बनाने की विधि एक रहस्य बनी हुई थी, जिससे कुछ शक्तिशाली एंटीबायोटिक्स के निर्माण के बारे में हमारी समझ में एक कमी रह गई थी।
मैकमैस्टर यूनिवर्सिटी और ब्रॉक यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस पहेली को सुलझा लिया है और EdeM नामक एक विशिष्ट एंजाइम की पहचान और लक्षण वर्णन किया है। यह एंजाइम एडीन (edeine) के उत्पादन के मार्ग में D-बीटा-सेरीन बनाने के लिए जिम्मेदार है, जो 'ब्रेविबैसिलस ब्रेविस' (Brevibacillus brevis) नामक मिट्टी के बैक्टीरिया द्वारा बनाया गया एक पेप्टाइड एंटीबायोटिक है। यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि EdeM इस प्रकार के एंजाइमों के परिवार में एक ऐसी रासायनिक प्रक्रिया करता है जो पहले कभी नहीं देखी गई थी। जबकि इस प्रकार के अधिकांश एंजाइम दो अलग-अलग अणुओं के बीच भागों का आदान-प्रदान करके काम करते हैं, EdeM सामान्य अमीनो एसिड L-सेरीन के एक एकल अणु को लेता है और उसके आंतरिक ढांचे को पुनर्गठित करके बीटा संस्करण बनाता है। यह इसे बिना किसी दूसरे अणु की आवश्यकता के करता है जिसे भाग स्वीकार या दान करने हों, और यह इसे पूरी सटीकता के साथ करता है, जिससे उत्पाद का केवल एक विशिष्ट 3D आकार बनता है।
शोधकर्ताओं ने एडीन बनाने के आनुवंशिक निर्देशों को देखना शुरू किया। उन्होंने एक जीन, edeM, पाया जो एमिनोट्रांसफेरेज़ (aminotransferases) के ज्ञात एंजाइमों के जीनों के बहुत समान था। ये मानक एंजाइम आमतौर पर आणविक कैंची और गोंद की तरह कार्य करते हैं, जो एक अणु से अमीनो समूह को काटते हैं और उसे दूसरे से जोड़ देते हैं। यह परीक्षण करने के लिए कि EdeM वास्तव में क्या करता था, टीम ने लैब में एंजाइम को तैयार किया और इसे L-सेरीन के साथ मिलाया। उन्होंने पाया कि EDE M ने L-सेरीन को बिना किसी अन्य रासायनिक साथी को जोड़े, अपने आप D-बीटा-सेरीन में बदल दिया। यह अप्रत्याशित था, क्योंकि इन एंजाइमों के मानक मॉडल के लिए काम करने हेतु दो अलग-अलग सबस्ट्रेट्स (substrates) की आवश्यकता होती है। आगे के प्रयोगों से पता चला कि EdeM अत्यंत चयनात्मक है; यह केवल L-सेरीन पर काम करता है और अन्य समान अमीनो एसिड को अनदेखा कर देता है।
यह समझने के लिए कि यह एकल-सबस्ट्रेट प्रतिक्रिया कैसे होती है, वैज्ञानिकों को यह देखने की आवश्यकता थी कि एंजाइम के भीतर वास्तव में क्या चल रहा है। उन्होंने EdeM के क्रिस्टल उगाए और इसके परमाणु संरचना का मानचित्रण करने के लिए एक्स-रे का उपयोग किया। एंजाइम एक विशिष्ट एमिनोट्रांसफेरेज़ की तरह दिखता था, जो दो समान हिस्सों से बना था जो एक पॉकेट (जेब) बनाते हैं जहाँ प्रतिक्रिया होती है। इस पॉकेट के अंदर, उन्हें PLP नामक एक सहायक अणु मिला, जो अमीनो एसिड के लिए एक रासायनिक लंगर (anchor) के रूप में कार्य करता है। संरचना से पता चला कि एंजाइम मुख्य रूप से चार विशिष्ट टायरोसिन अवशेषों (tyrosine residues) पर निर्भर करता है, जो हाइड्रॉक्सिल समूहों वाले अमीनो एसिड हैं, ताकि सबस्ट्रेट को अपनी जगह पर थामे रखा जा सके। जब शोधकर्ताओं ने इन टायरोसिन को उत्परिवर्तित (mutate) किया, तो एंजाइम ने काम करना बंद कर दिया, जिससे सिद्ध हुआ कि वे इस अद्वितीय प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक हैं।
टीम ने परमाणुओं के पथ को ट्रैक करने के लिए चतुर प्रयोगों की एक श्रृंखला का उपयोग किया। उन्होंने भारी ऑक्सीजन वाले पानी का उपयोग किया यह देखने के लिए कि क्या एंजाइम अणु को तोड़ता है और इसे पानी के साथ फिर से जोड़ता है, जो कई रासायनिक प्रतिक्रियाओं में एक सामान्य चरण है। परिणामों ने भारी ऑक्सीजन के समावेश को खारिज कर दिया, जिससे मानक तंत्र की संभावना खत्म हो गई जहाँ अणु को काटा और हाइड्रोलाइज (hydrolyzed) किया जाता है। उन्होंने कार्बन डाइऑक्साइड को ट्रैक करने के लिए भारी आइसोटोप से लेबल किए गए कार्बन डाइऑक्साइड का भी उपयोग किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या एंजाइम कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ता है और फिर हवा से एक नया कार्बन पकड़ता है। उत्पाद में केवल शुरुआती सामग्री से मूल कार्बन मौजूद था, जिससे सिद्ध हुआ कि कार्बन डाइऑक्साइड को आसपास के घोल में कभी छोड़ा ही नहीं गया था।
सबसे स्पष्ट सुराग कार्बन और हाइड्रोजन परमाणुओं की गति को ट्रैक करने से मिले। लेबल किए गए कार्बन परमाणुओं वाले L-सेरीन का उपयोग करके, उन्होंने पाया कि मूल रूप से श्रृंखला के दूसरे स्थान पर स्थित कार्बन परमाणु अंतिम उत्पाद में तीसरे स्थान पर चला गया। साथ ही, कार्बोक्सिल समूह, जो पहले कार्बन से जुड़ा था, नए तीसरे स्थान पर चला गया। इसका मतलब था कि पूरे कार्बन कंकाल (skeleton) ने खुद को पुनर्गठित किया था। आगे के परीक्षणों ने भारी हाइड्रोजन के साथ दिखाया कि दो हाइड्रोजन परमाणु नए स्थान पर जुड़ गए, जिससे पुष्टि हुई कि प्रतिक्रिया में कार्बोक्सिल समूह का एक विशिष्ट प्रवास (migration) शामिल था।
यह समझने के लिए कि यह प्रवास कैसे होता है, शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया। उन्होंने एंजाइम के सक्रिय स्थल (active site) के भीतर प्रतिक्रिया का मॉडल तैयार किया और दो संभावित मार्गों का परीक्षण किया। एक विचार में अणु का एक अस्थायी, अत्यधिक तनावपूर्ण तीन-सदस्यीय वलय (ring) बनाना शामिल था, जो एक मुड़े हुए त्रिकोण के समान है, जिसके बाद वह फिर से खुल जाता है। हालांकि कंप्यूटर ने दिखाया कि यह आकार अस्तित्व में हो सकता है, लेकिन वह प्रतिक्रिया तक पहुँचने के लिए कोई स्पष्ट मार्ग नहीं खोज सका। दूसरा मॉडल कार्बोक्सिल समूह के सीधे, सुचारू स्लाइड (खिसकाव) से संबंधित था, जिसे 1,2-प्रवास (1,2-migration) कहा जाता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि इस सीधे मार्ग में ऊर्जा अवरोध बहुत कम था, जिसका अर्थ है कि यह आसानी से हो सकता है, और विशिष्ट टायरोसिन अवशेषों ने शिफ्ट के दौरान चलते हुए भागों को स्थिर करने के लिए एक मचान (scaffold) की तरह कार्य किया। यह 1,2-प्रवास तंत्र सभी प्रयोगात्मक डेटा के साथ फिट बैठता है, जो बताता है कि एंजाइम अणु को तोड़ने या कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ने के बिना कैसे कार्बोक्सिल समूह को स्थानांतरित करता है।
यह खोज प्रकट करती है कि प्रकृति अमीनो एसिड को हेरफेर करने के लिए नए तरीके कैसे खोज सकती है। EdeM, PLP-निर्भर एंजाइमों की ज्ञात क्षमताओं का विस्तार करता है, यह दिखाते हुए कि वे सामान्य साथियों या चरणों के बिना जटिल आंतरिक पुनर्गठन कर सकते हैं। एंजाइम पूर्ण स्टीरियोकेमिकल नियंत्रण के साथ D-बीटा-सेरीन का उत्पादन करता है, जिससे अणु का एक एकल, शुद्ध रूप बनता है। दिलचस्प बात यह है कि अंतिम एडीन एंटीबायोटिक में बीटा-सेरीन का L-रूप होता है, जिससे पता चलता है कि EdeM द्वारा इसे बनाने के बाद एक अन्य एंजाइम को इसके आकार को बदलना होगा, एक ऐसा चरण जिसकी खोज अभी बाकी है। इस अद्वितीय एंजाइमेटिक मार्ग को परिभाषित करके, यह अध्ययन एक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि बैक्टीरिया जटिल एंटीबायोटिक्स कैसे बनाते हैं और यह उन वैज्ञानिकों के लिए एक नया उपकरण भी प्रदान करता है जो ऐसे समान अणुओं को बनाना चाहते हैं। यह जैविक उत्प्रेरकों (biological catalysts) की अविश्वसनीय बहुमुखी प्रतिभा को उजागर करता है, जो ऐसे रासायनिक कारनामे करने के लिए विकसित हो सकते हैं जिन्हें पहले असंभव माना जाता था।
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