Исследование морских кораллов привело к открытию новой энзимной системы, ответственной за формирование уникальных биологически активных соединений, известных как бифлораны (серрулатаны). Эти молекулы характеризуются двойным 6-кольцевым строением с примененной пренильной боковой цепью, что обуславливает их противовоспалительное, противомалярийное и противоопухолевое действие.
Биотрансформация бифлоранов занимает особое место в современной химии природных продуктов, поскольку их производство традиционно связано с добычей из редких морских организмов, включая кораллы, губки и растения. Ограниченное знание о механизмах формирования их сложного скелета до настоящего времени тормозило развитие методов синтетической биологии в данной области.
Ранее изучены лишь отдельные терпен-синтазы, однако молекулярный механизм формирования морского бифлоранового скелета оставался неопределённым из-за отсутствия достаточного количества структурных данных, что подтверждается наличием всего одного кристаллического образца коральной терпен-синтазы.
В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, коллектив учёных во главе с Сюй Баофу из Шанхайского института материальной медицины Китайской академии наук, совместно с Го Юэвэем (SIMM, CAS), У Жуйбо из Университета Сунь Ят-сена и Ван Чэнъюаном из Шанхайского института иммунитета и инфекционных заболеваний (CAS), использовал комплекс методов: геномный поиск, энзимологический анализ, маркировку дейтерием и фтором, кристаллографические исследования, вычисления по схеме QM/MM и мутационные эксперименты.
Анализ генома морского коралла Paramuricea clavate позволил выявить шесть терпен-синтаз, среди которых выделилась энзим PcTS1 – biflorane-синтаза, открывшая возможность детально проследить путь формирования морского терпенового скелета.
Маркировка молекул дейтерием и фтором дала возможность уточнить последовательность циклирования, показав, что реакция сопровождается двумя последовательными 1,2-сдвигами гидрида с последующим отщеплением протона, что исключает ранее предполагаемый механизм с 1,3-сдвигами. Кристаллографическое определение структуры PcTS1 стало отправной точкой для вычислительных экспериментов, доказавших участие циклопропановой 2,6-циклизации с последующим открытием кольца и роль пирофосфата в стадии депротонирования.
Мутационные исследования, в том числе создание варианта PcTS1I254A, выявили образование десятимного промежуточного продукта, что подтверждает начальную стадию циклирования по схеме 1,10-циклизации. Последующие изменения в последовательности энзима привели к формированию ряда уникальных терпеновых каркасов, согласующихся с предсказанными карбокатионными промежуточными формами, выявленными методами изотопного мечения и QM/MM анализа.
Полученные данные демонстрируют значительный потенциал механизм-ориентированного инженерства для расширения спектра биокатализаторов в синтезе терпенов, открывая новые возможности для эффективного гетерологичного производства биоактивных соединений, востребованных в медицине и фармацевтической индустрии.
Изображение носит иллюстративный характер
Биотрансформация бифлоранов занимает особое место в современной химии природных продуктов, поскольку их производство традиционно связано с добычей из редких морских организмов, включая кораллы, губки и растения. Ограниченное знание о механизмах формирования их сложного скелета до настоящего времени тормозило развитие методов синтетической биологии в данной области.
Ранее изучены лишь отдельные терпен-синтазы, однако молекулярный механизм формирования морского бифлоранового скелета оставался неопределённым из-за отсутствия достаточного количества структурных данных, что подтверждается наличием всего одного кристаллического образца коральной терпен-синтазы.
В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, коллектив учёных во главе с Сюй Баофу из Шанхайского института материальной медицины Китайской академии наук, совместно с Го Юэвэем (SIMM, CAS), У Жуйбо из Университета Сунь Ят-сена и Ван Чэнъюаном из Шанхайского института иммунитета и инфекционных заболеваний (CAS), использовал комплекс методов: геномный поиск, энзимологический анализ, маркировку дейтерием и фтором, кристаллографические исследования, вычисления по схеме QM/MM и мутационные эксперименты.
Анализ генома морского коралла Paramuricea clavate позволил выявить шесть терпен-синтаз, среди которых выделилась энзим PcTS1 – biflorane-синтаза, открывшая возможность детально проследить путь формирования морского терпенового скелета.
Маркировка молекул дейтерием и фтором дала возможность уточнить последовательность циклирования, показав, что реакция сопровождается двумя последовательными 1,2-сдвигами гидрида с последующим отщеплением протона, что исключает ранее предполагаемый механизм с 1,3-сдвигами. Кристаллографическое определение структуры PcTS1 стало отправной точкой для вычислительных экспериментов, доказавших участие циклопропановой 2,6-циклизации с последующим открытием кольца и роль пирофосфата в стадии депротонирования.
Мутационные исследования, в том числе создание варианта PcTS1I254A, выявили образование десятимного промежуточного продукта, что подтверждает начальную стадию циклирования по схеме 1,10-циклизации. Последующие изменения в последовательности энзима привели к формированию ряда уникальных терпеновых каркасов, согласующихся с предсказанными карбокатионными промежуточными формами, выявленными методами изотопного мечения и QM/MM анализа.
Полученные данные демонстрируют значительный потенциал механизм-ориентированного инженерства для расширения спектра биокатализаторов в синтезе терпенов, открывая новые возможности для эффективного гетерологичного производства биоактивных соединений, востребованных в медицине и фармацевтической индустрии.
