Kemikere ved Scripps Research har effektivt skabt tre familier af komplekse, oxygenholdige molekyler, som norm alt kun kan fås fra planter.
Disse molekyler, kaldet terpener, er potentielle udgangspunkter for nye lægemidler og andre produkter af høj værdi - hvilket markerer en vigtig udvikling for flere industrier. Derudover kunne den nye tilgang give kemikere mulighed for at bygge mange andre klasser af forbindelser.
Kemibedriften er beskrevet i 13. august-udgaven af tidsskriftet Science.
Nøglen til denne nye metode til fremstilling af molekyler er udnyttelsen eller kapringen af naturlige enzymer - fra bakterier, i dette tilfælde - for at hjælpe med komplekse kemiske transformationer, der har været upraktiske eller umulige med syntetisk kemiteknikker alene, siger hovedforsker Hans Renata, ph.d., adjunkt ved Institut for Kemi ved Scripps Research.
Naturlige enzymer, der hjælper med at opbygge molekyler i celler, udfører norm alt kun en eller to meget specifikke opgaver. Men Scripps Research-teamet viste, at naturlige enzymer, selv uden modifikation, kan fås til at udføre en bredere vifte af opgaver.
"Vi tror generelt, at enzymer er en for det meste uudnyttede ressource til at løse problemer i kemisk syntese," siger Renata. "Enzymer har en tendens til at have en vis grad af promiskuøs aktivitet i form af deres evne til at anspore kemiske reaktioner ud over deres primære opgave, og det var vi i stand til at drage fordel af her."
At udnytte enzymers skjulte talenter
Enzymer hjælper med at opbygge molekyler i alle plante-, dyre- og mikrobielle arter. Inspireret af deres effektivitet i at konstruere meget komplekse molekyler har kemikere i mere end et halvt århundrede brugt enzymer i laboratoriet til at hjælpe med at bygge værdifulde forbindelser, herunder lægemiddelforbindelser - men norm alt er disse forbindelser de samme molekyler, som enzymerne hjælper med at opbygge i naturen.
At udnytte naturlige enzymer på en bredere måde i henhold til deres grundlæggende biokemiske aktivitet er en ny strategi med et stort potentiale.
"Vores opfattelse er nu, at når vi ønsker at syntetisere et komplekst molekyle, eksisterer løsningen sandsynligvis allerede blandt naturens enzymer - vi skal bare vide, hvordan vi finder de enzymer, der vil fungere," siger seniorforfatter Ben Shen, PhD, formand for Department of Chemistry på Florida campus og direktør for Scripps Research's Natural Products Discovery Center.
Det lykkedes for holdet at fremstille ni terpener, der er kendt for at blive produceret i Isodon, en familie af blomstrende planter relateret til mynte. De komplekse forbindelser tilhører tre terpenfamilier med beslægtede kemiske strukturer: ent-kauranes, ent-atisaner og ent-trachylobanes. Medlemmer af disse terpenfamilier har en bred vifte af biologiske aktiviteter, herunder undertrykkelse af inflammation og tumorvækst.
En opskrift på syntesesucces
Syntesen af hver forbindelse, i mindre end 10 trin for hver, var en hybridproces, der kombinerede nuværende organiske syntesemetoder med enzym-medieret syntese, der startede med en billig forbindelse kaldet steviosid, hovedbestanddelen af det kunstige sødemiddel Stevia.
Den vigtigste hindring var den direkte udskiftning af brintatomer med oxygenatomer i et komplekst mønster på kulstof-atomskelettet af udgangsforbindelsen. Nuværende organiske syntesemetoder har et begrænset arsenal til sådanne transformationer. Naturen har imidlertid produceret mange enzymer, der kan muliggøre disse transformationer - hver i stand til at udføre sin funktion med en grad af kontrol, der ikke kan matches af menneskeskabte metoder.
"Som en tværfaglig forskergruppe var vi fuldt ud klar over begrænsningerne ved nuværende organiske syntesemetoder, men også om de mange unikke måder, enzymer kan overvinde disse begrænsninger på - og vi havde indsigten til at kombinere traditionel syntetisk kemi med enzymatiske metoder på en synergistisk måde," siger Renata.
De tre anvendte enzymer, som blev identificeret og karakteriseret af Shen, Renata og kolleger først sidste år, er produceret naturligt af en bakterie - en af de mere end 200.000 arter i Microbial Strain Collection på Scripps Research's Natural Produktopdagelsescenter.
"Vi var i stand til at bruge disse enzymer ikke kun til at modificere startmolekylerne, eller stilladser, som vi kalder dem, men også til at omdanne et stillads til et andet, så vi kunne transformere en terpen fra en familie til en terpen fra en anden familie," siger anden forfatter Emma King-Smith, en ph.d.-studerende i Renata-laboratoriet.
Kemikerne har nu til hensigt at bruge deres nye tilgang til at fremstille nyttige mængder af de ni forbindelser, såvel som kemiske varianter af forbindelserne, og sammen med samarbejdende laboratorier udforske deres egenskaber som potentielle lægemidler eller andre produkter.
"Med vores strategi kan vi lave disse stærkt oxiderede diterpener meget lettere og i større mængder, end det ville være muligt ved at isolere dem fra de planter, hvor de findes naturligt," siger førsteforfatter Xiao Zhang, PhD, en postdoktoral forskningsassistent i Renata-laboratoriet.
Lige så vigtigt, siger forskerne, arbejder de på at identificere reaktioner og enzymer, der vil give dem mulighed for at udvide deres tilgang til andre klasser af molekyler.
Centr alt for alle disse bestræbelser er den løbende udvikling af metoder til at gennemsøge mikrobers og andre organismers DNA for at identificere de enzymer, de koder for - og forudsige disse enzymers aktiviteter. Milliarder af forskellige enzymer findes i planter, dyr og bakterier på Jorden, og kun en lille del af dem er blevet katalogiseret til dato.
"Vi er begejstrede for potentialet i at opdage nye og nyttige enzymer fra vores stammebibliotek her hos Scripps Research," siger Renata. "Vi tror, det vil gøre os i stand til at løse mange andre problemer inden for kemisk syntese."
Undersøgelsen blev finansieret af National Institutes of He alth (GM134954, GM128895 og GM124461).
