A noncanonical PLP-dependent enzyme catalyzes β-serine biosynthesis in the edeine antibiotic pathway
Questo studio identifica e caratterizza EdeM, un enzima non canonico dipendente da PLP che catalizza l'imprevista riorganizzazione intramolecolare della L-serina per produrre D-β-serina enantiomericamente pura per la biosintesi dell'antibiotico edeine, espandendo così il repertorio catalitico noto degli enzimi PLP.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo
La vita sulla Terra si basa su un set di venti blocchi costruttivi standard per costruire le proteine che guidano ogni processo biologico. Questi sono gli alfa-amminoacidi, dove un atomo di carbonio centrale sostiene un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e una catena laterale. Tuttavia, la natura occasionalmente va oltre questo set standard, incorporando varianti insolite in molecole specializzate come gli antibiotici. Una di queste varianti è il beta-amminoacido, dove il gruppo amminico è attaccato al secondo carbonio della catena anziché al primo. Questo piccolo spostamento di posizione cambia la forma e la stabilità della molecola, rendendola resistente agli enzimi che solitamente degradano le proteine. Sebbene gli scienziati sappiano da tempo come i batteri creino alcuni di questi beta-amminoacidi, il metodo utilizzato per produrre uno specifico chiamato D-beta-serina è rimasto un mistero, lasciando un vuoto nella nostra comprensione di come vengono assemblati certi potenti antibiotici.
Un team di ricercatori dell'Università McMaster e dell'Università Brock ha ora risolto questo enigma identificando e caratterizzando un enzima specifico chiamato EdeM. Questo enzima è responsabile della creazione della D-beta-serina nella via che produce l'edeina, un peptide antibiotico composto da un batterio del suolo chiamato Brevibacillus brevis. La scoperta è significativa perché EdeM esegue una trasformazione chimica che non era mai stata vista prima in questa famiglia di enzimi. Mentre la maggior parte degli enzimi di questo tipo lavora scambiando parti tra due molecole diverse, EdeM prende una singola molecola del comune amminoacido L-serina e ne riorganizza la struttura interna per creare la versione beta. Lo fa senza bisogno di una seconda molecola che accetti o doni parti, e lo fa con perfetta precisione, producendo un unico specifico shape 3D del prodotto.
I ricercatori hanno iniziato esaminando le istruzioni genetiche per la produzione di edeina. Hanno trovato un gene, edeM, che appariva molto simile ai geni per enzimi noti come aminotrasferasi. Questi enzimi standard agiscono tipicamente come forbici e colla molecolare, tagliando un gruppo amminico da una molecola e attaccandolo a un'altra. Per testare cosa facesse realmente EdeM, il team ha prodotto l'enzima in laboratorio e l'ha mescolato con la L-serina. Hanno scoperto che EdeM convertiva la L-serina in D-beta-serina da sola, senza aggiungere altri partner chimici. Questo era inaspettato, poiché il modello standard per questi enzimi richiede due substrati diversi per funzionare. Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che EdeM è estremamente selettivo; lavora solo sulla L-serina e ignora altri amminoacidi simili.
Per capire come avviene questa reazione a substrato singolo, gli scienziati avevano bisogno di vedere esattamente cosa si muoveva all'interno dell'enzima. Hanno fatto crescere cristalli di EdeM e hanno usato i raggi X per mappare la sua struttura atomica. L'enzima appariva come una tipica aminotrasferasi, costruito da due metà identiche che formano una tasca dove avviene la reazione. All'interno di questa tasca, hanno trovato una molecola di supporto chiamata PLP, che funge da ancora chimica per l'amminoacido. La struttura ha rivelato che l'enzima si affida fortemente a quattro specifici residui di tirosina, che sono amminoacidi con gruppi ossidrilici, per tenere in posizione il substrato. Quando i ricercatori hanno mutato queste tirosine, l'enzima ha smesso di funzionare, provando che esse sono essenziali per questa reazione unica.
Il team ha poi utilizzato una serie di esperimenti ingegnosi per tracciare il percorso degli atomi mentre avveniva la reazione. Hanno utilizzato acqua contenente una versione pesante dell'ossigeno per vedere se l'enzima rompeva la molecola e la riassemblava con l'acqua, un passaggio comune in molte reazioni chimiche. I risultati hanno mostrato nessuna incorporazione dell'ossigeno pesante, escludendo il meccanismo standard in cui la molecola viene tagliata e idrolizzata. Hanno anche utilizzato l'anidride carbonica marcata con un isotopo pesante per vedere se l'enzima rilasciava anidride carbonica e poi ne assorbiva una nuova dall'aria. Il prodotto conteneva solo il carbonio originale del materiale di partenza, provando che l'anidride carbonica non era mai stata rilasciata nella soluzione circostante.
Gli indizi più rivelatori sono arrivati dal tracciamento del movimento degli atomi di carbonio e di idrogeno. Utilizzando la L-serina dove gli atomi di carbonio erano marcati, hanno scoperto che l'atomo di carbonio originariamente alla seconda posizione si è spostato alla terza posizione nel prodotto finale. Simultaneamente, il gruppo carbossilico, che era attaccato al primo carbonio, si è spostato alla nuova terza posizione. Ciò significava che l'intero scheletro di carbonio della molecola si era riorganizzato. Ulteriori test con idrogeno pesante hanno mostrato che due atomi di idrogeno sono stati aggiunti alla nuova posizione, confermando che la reazione aveva comportato una specifica migrazione del gruppo carbossilico da un'estremità all'altra della molecola.
Per spiegare come avviene questa migrazione, i ricercatori si sono rivolti alle simulazioni al computer. Hanno modellato la reazione all'interno del sito attivo dell'enzima e hanno testato due possibili percorsi. Un'idea prevedeva che la molecola formasse un anello a tre membri temporaneo e altamente tensionato, simile a un triangolo storto, prima di riaprirsi. Sebbene il computer mostrasse che questa forma poteva esistere, non riusciva a trovare un percorso chiaro affinché la reazione arrivasse lì. L'altro modello prevedeva uno scivolamento diretto e fluido del gruppo carbossilico da un carbonio all'altro, un processo noto come migrazione 1,2. Le simulazioni hanno mostrato che questo percorso diretto aveva una barriera energetica molto bassa, il che significa che poteva accadere facilmente, e che i specifici residui di tirosina agivano come un'impalcatura per stabilizzare le parti in movimento durante lo spostamento. Questo meccanismo di migrazione 1,2 si adatta a tutti i dati sperimentali, spiegando come l'enzima sposti il gruppo carbossilico senza rompere la molecola o rilasciare anidride carbonica.
Questa scoperta rivela un nuovo modo in cui la natura può manipolare gli amminoacidi. EdeM espande le capacità note degli enzimi dipendenti da PLP, mostrando che possono eseguire complessi riarrangiamenti interni senza i soliti partner o passaggi. L'enzima produce la D-beta-serina con un perfetto controllo stereochimico, creando una singola, pura forma della molecola. Curiosamente, l'antibiotico edina finale contiene la forma L della beta-serina, suggerendo che un altro enzima debba invertire la forma della molecola dopo che EdeM l'ha creata, un passaggio che rimane da scoprire. Definendo questo percorso enzimatico unico, lo studio fornisce una guida su come i batteri costruiscono antibiotici complessi e offre un nuovo strumento agli scienziati che desiderano creare molecole simili per uso medico. Il lavoro evidenzia l'incredibile versatilità dei catalizzatori biologici, che possono evolversi per compiere imprese chimiche precedentemente ritenute impossibili.
Sommerso dagli articoli nel tuo campo?
Ricevi digest giornalieri degli articoli più recenti corrispondenti alle tue parole chiave di ricerca — con riassunti tecnici, nella tua lingua.