A noncanonical PLP-dependent enzyme catalyzes β-serine biosynthesis in the edeine antibiotic pathway
본 연구는 에데인(edeine) 항생제 생합성을 위해 L-세린의 전례 없는 분자 내 재배열을 촉매하여 거울상 이성질체 순도가 높은 D-β-세린을 생성하는 비정형 PLP 의존성 효소인 EdeM을 규명하고 그 특성을 밝힘으로써, PLP 효소의 알려진 촉매 범위를 확장한다.
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지구상의 생명체는 모든 생물학적 과정을 주도하는 단백질을 구성하기 위해 20개의 표준 구성 요소를 사용합니다. 이것들은 알파-아미노산으로, 중심 탄소 원자가 아미노기, 카르복실기, 그리고 측쇄를 붙들고 있습니다. 그러나 자연은 때때로 이 표준 집합을 넘어 항생제와 같은 특수 분자에 이례적인 변형체를 포함시키기도 합니다. 그러한 변형 중 하나가 베타-아미노산인데, 여기서는 아미노기가 사슬의 첫 번째 탄소가 아닌 두 번째 탄소에 붙어 있습니다. 이러한 위치의 작은 변화는 분자의 모양과 안정성을 변화시켜, 단백질을 보통 분해하는 효소들에 저항할 수 있게 만듭니다. 과학자들은 박테리아가 이러한 일부 베타-아미노산을 어떻게 만드는지 오랫동안 알고 있었지만, D-베타-세린이라 불리는 특정 물질을 생산하는 방법은 미스터리로 남아 있었으며, 이는 특정 강력한 항생제가 조립되는 방식에 대한 이해의 공백을 남겨두었습니다.
맥마스터 대학교와 브록 대학교의 연구팀은 이제 EdeM이라는 특정 효소를 식별하고 특성화함으로써 이 수수께ji를 풀었습니다. 이 효소는 토양 박테리아인 브레비바실러스 브레비스(Brevibacillus brevis)가 만드는 펩타이드 항생제인 에데인(edeine)을 생성하는 경로에서 D-베타-세린을 만드는 역할을 합니다. 이 발견이 중요한 이유는 EdeM이 이 계열의 효소들에서는 이전에 본 적이 없는 화학적 변환을 수행하기 때문입니다. 대부분의 이 유형의 효소들이 두 다른 분자 사이에서 부품을 교환하며 작동하는 반면, EdeM은 흔한 아미노산인 L-세린 한 분자를 가져와 내부 구조를 재배열하여 베타 버전을 만들어냅니다. EdeM은 부품을 받거나 전달할 두 번째 분자를 필요로 하지 않고도 이를 수행하며, 매우 정밀하게 수행하여 단 하나의 특정 3D 형태의 생성물만을 만들어냅니다.
연구진은 에데인을 만드는 유전적 지침을 살펴보는 것부터 시작했습니다. 그들은 edeM이라는 유전자를 발견했는데, 이는 아미노전이효소(aminotransferases)로 알려진 효소들의 유전자와 매우 유사해 보였습니다. 이러한 표준 효소들은 보통 분자에서 아미노기를 잘라내어 다른 분자에 붙이는 분자 가위와 풀처럼 작동합니다. EdeM이 실제로 무엇을 하는지 테스트하기 위해, 팀은 실험실에서 효소를 생산하고 이를 L-세린과 혼합했습니다. 그들은 EdeM이 다른 화학적 파트너 없이도 L-세린을 D-베타-세린으로 전환한다는 것을 발견했습니다. 이는 두 개의 서로 다른 기질이 작동을 위해 필요하다는 표준 모델과는 상반되는 예상치 못한 결과였습니다. 추가 실험을 통해 EdeM이 매우 까다로워 L-세린에만 작용하고 다른 유사한 아미노산들은 무시한다는 사실을 밝혀냈습니다.
이 단일 기질 반응이 어떻게 일어나는지 이해하기 위해, 과학자들은 반응이 일어나는 동안 분자 내부에서 무엇이 움직이는지 정확히 볼 필요가 있었습니다. 그들은 EdeM의 결정을 키운 뒤 X선으로 원자 구조를 지도화했습니다. 효소는 전형적인 아미노전이효소의 모습을 띠고 있었으며, 반응이 일어나는 포켓을 형성하는 두 개의 동일한 절반으로 구성되어 있었습니다. 이 포켓 내부에서 그들은 아미노산을 위한 화학적 닻 역할을 하는 PLP라는 도움 분자를 발견했습니다. 구조를 통해 효소가 아미노산을 제자리에 고정하기 위해 하이드록실기를 가진 티로신 잔기 네 개에 크게 의존한다는 것을 알 수 있었습니다. 연구진이 이 티로신들을 변형시키자 효소가 작동을 멈췄으며, 이는 이들이 독특한 반응에 필수적임을 증명했습니다.
팀은 원자들이 반응 중에 이동하는 경로를 추적하기 위해 일련의 영리한 실험을 사용했습니다. 그들은 무거운 산소 버전이 포함된 물을 사용하여 효소가 분자를 부수고 물과 함께 재조립하는지 확인했습니다(이는 많은 화학 반응에서 흔한 단계입니다). 결과는 무거운 산소의 통합이 없음을 보여주었으며, 이는 분자가 잘리고 가수분해되는 표준 메커니즘을 배제했습니다. 또한 그들은 공기 중에서 새로운 탄소를 잡거나 이산써 탄소 이산화물을 방출하는지 보기 위해 무거운 동위원소가 표지된 이산화탄소를 사용했습니다. 생성물은 시작 물질로부터 온 원래의 탄소만을 포함하고 있었으며, 이는 이산화탄소가 주변 용액으로 전혀 방출되지 않았음을 입증했습니다.
가장 드러나는 단서들은 탄소 원자와 수소 원자의 이동을 추적하는 과정에서 나왔습니다. 탄소 원자들이 표지된 L-세린을 사용함으로써, 그들은 원래 사슬의 두 번째 위치에 있던 탄소가 최종 생성물의 세 번째 위치로 이동했다는 것을 발견했습니다. 동시에 첫 번째 탄소에 붙어 있던 카르복실기도 새로운 세 번째 위치로 이동했습니다. 이는 분자의 전체 탄소 골격이 스스로 재배열되었음을 의미했습니다. 무거운 수소를 이용한 추가 테스트는 두 개의 수소 원자가 새로운 위치에 추가되었음을 보여주었으며, 이는 카르복실기가 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하는 특정한 이주(migration)가 포함되었음을 확증했습니다.
이러한 이주가 어떻게 발생하는지 설명하기 위해, 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션에 의존했습니다. 그들은 효소의 활성 부위 내에서의 반응을 모델링하고 두 가지 가능한 경로를 테스트했습니다. 한 가지 아이디어는 분자가 꼬인 삼각형과 유사한, 일시적으로 매우 긴장된 3원환(three-membered ring)을 형성한 후 다시 열리는 것이었습니다. 컴퓨터는 이 모양이 존재할 수 있음을 보여주었지만, 반응이 그곳에 도달하기 위한 명확한 경로를 찾지는 못했습니다. 다른 모델은 카르복실기가 다음 탄소로 직접 매끄럽게 미끄러지는 과정을 포함했는데, 이는 1,2-이주(1,2-migration)라고 알려진 과정입니다. 시뮬레이션은 이 직접적인 경로가 매우 낮은 에너지 장벽을 가지고 있어 쉽게 일어날 수 있음을 보여주었으며, 특정 티로신 잔기들이 이동하는 부품들을 안정화하는 비계(scaffold) 역할을 한다는 것을 보여주었습니다. 이 1,2-이주 메커니즘은 모든 실험 데이터와 일치하며, 효소가 분자를 부수거나 이산화탄소를 방출하지 않고 어떻게 카르복실기를 이동시키는지 설명해 줍니다.
이 발견은 자연이 아미노산을 조작할 수 있는 새로운 방법을 드러냅니다. EdeM은 PLP 의존적 효소의 알려진 능력을 확장하여, 이들이 통상적인 파트너나 단계 없이도 복잡한 내부 재배열을 수행할 수 있음을 보여줍니다. 이 효소는 완벽한 입체화학적 제어를 통해 D-베타-세린을 생성하며, 단 하나의 순수한 형태의 분자를 만들어냅니다. 흥미롭게도, 최종 에데인 항생제는 베타-세린의 L-형을 포함하고 있는데, 이는 EdeM이 베타-세린을 만든 후 그 모양을 뒤집는 또 다른 효소가 존재함을 시사하며, 이 단계는 여전히 미지의 영역으로 남아 있습니다. 이 독특한 효소 경로를 정의함으로써, 이 연구는 박테리아가 복잡한 항생제를 구축하는 청사진을 제공하며, 의료용으로 유사한 분자를 만들고자 하는 과학자들에게 새로운 도구를 제공합니다. 이 작업은 이전에 불가능하다고 생각되었던 화학적 과업을 수행하도록 진화한 생물학적 촉매의 놀라운 다재다능함을 강조합니다.
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