La bacteria del suelo Pseudomonas fluorescens, aquí brillando intensamente bajo la luz ultravioleta, exuda un antibiótico llamado obafluorina que tiene una nueva estructura de ß-lactona. Crédito:Universidad de Washington en St. Louis
El componente activo del maravilloso fármaco penicilina y antibióticos relacionados, como las cefalosporinas, es un "anillo encantado, "llamado anillo β-lactámico. Los antibióticos que incluyen estos anillos son posiblemente los fármacos más importantes en la historia de la humanidad, haber aumentado por sí solo la esperanza de vida mundial en un estimado de cinco años.
"La gente suele decir que nos estamos quedando sin antibióticos, pero hay más de 20, 000 moléculas con actividad antibiótica en el Manual de antibióticos, "dijo Timothy Wencewicz, químico de la Universidad de Washington en St. Louis que se especializa en diseño de antibióticos.
"Menos del 1 por ciento de ellos se ha considerado alguna vez como un candidato clínico potencial. Languidecen porque se necesita mucho tiempo y cuidado para preparar una molécula para su uso como producto farmacéutico.
Wencewicz eligió cuidadosamente una de estas moléculas, obafluorina, para estudio adicional. Oblafluorin, descubierto en 1984 por el Instituto Squibb, es producido por una cepa fluorescente de bacterias del suelo que forma biopelículas en las raíces de las plantas.
Como la penicilina La obafluorina tiene un anillo de cuatro miembros. Un anillo de cuatro miembros ejerce presión sobre los ángulos de enlace que el carbono prefiere adoptar, explica Wencewicz. "La cepa convierte estos anillos en bombas moleculares que explotan cuando se colocan en el lugar correcto en el momento adecuado, que es útil para matar microbios, " él dijo.
Pero debido a que un anillo de cuatro miembros es inestable, estas moléculas también son de corta duración y difíciles de fabricar. Los químicos tardaron años en aprender a sintetizar penicilina a partir de sustancias químicas y luego descubrir cómo la producen los hongos. El antibiótico todavía se elabora fermentando una cepa de hongo que exuda penicilina en cubas gigantes de acero inoxidable.
El laboratorio de Wencewicz pudo superar todo el proceso, usar la genética para concentrarse en la maquinaria biosintética que usan las bacterias para producir obafluorina y luego reconstruir ese paso múltiple, proceso catalizado por enzimas en el laboratorio.
El anillo beta-lactámico acopla tres carbonos y un nitrógeno, mientras que el anillo de beta-lactona consta de tres carbonos y un oxígeno. "Son esencialmente isoelectrones; se ven y huelen igual, ", Dijo Wencewicz." Pero el oxígeno es diferente del nitrógeno, por lo que tienen una paleta diferente de bioactividades e inhiben un conjunto diferente de enzimas objetivo ". Crédito:Wencewicz
Wencewicz, los estudiantes de posgrado Mars Reck y Jason Schaffer, y la estudiante de pregrado Neha Prasad describen la maquinaria biosintética completa para el ensamblaje de la ß-lactona obafluorina en la edición del 15 de mayo de Biología química de la naturaleza .
Las ß-lactonas inhiben una gran clase de enzimas llamadas serina hidrolasas. "Hay cientos de serina hidrolasas conocidas, y están implicados en muchas enfermedades humanas, ", Dijo Wencewicz. Las ß-lactonas pueden resultar útiles en el tratamiento del cáncer y la obesidad, así como enfermedades infecciosas.
Un camino oscuro sacado a la luz
La obafluorina es un péptido, una cadena corta de aminoácidos enlazados. La mayoría de los péptidos son producidos por una máquina celular llamada ribosoma, que produce una variedad de péptidos. Obafluorina, sin embargo, está ensamblado no por el ribosoma sino por la péptido sintetasa no ribosomal (NRPS), una enzima de múltiples partes que sintetiza solo un tipo de péptido.
Los ribosomas producen péptidos largos llamados proteínas que son cruciales para la vida. Dijo Wencewicz. Los ribosomas han evolucionado durante millones de años para ser increíblemente eficientes y precisos. él agregó, pero utilizan un conjunto limitado de componentes básicos de aminoácidos.
Los antibióticos y otros metabolitos secundarios que son útiles pero no esenciales para la vida son ensamblados más o menos bajo demanda por las líneas de ensamblaje de NRPS. Estos NRPS son capaces de unir miles de bloques de construcción de aminoácidos diferentes para formar pequeños péptidos estructuralmente diversos con importante actividad biológica.
Los NRPS son esencialmente una serie de enzimas unidas en una proteína grande con muchos dominios, cada uno de los cuales lleva a cabo un paso en el ensamblaje de péptidos. "Son más bien como líneas de montaje de Henry Ford, "Dijo Wencewicz.
El laboratorio de Wencewicz identificó el grupo de genes en Pseudomonas fluorescente que produce el NRPS e hizo las cinco enzimas codificadas por los genes.
La quinta enzima resultó ser particularmente interesante. Es una tioesterasa poco común responsable de la formación del anillo de ß-lactona cuando el péptido se libera del NRPS. A diferencia de otras enzimas tioesterasas, la obafluorin tioesterasa incluye un aminoácido catalítico raro que genera un intermedio tioéster reactivo. Esta química inusual permite que el NRPS supere la barrera de energía que de otra manera previene la formación de un anillo tenso.
Muchos más anillos por venir
"Ahora tenemos una plataforma enzimática completa para fabricar péptidos de ß-lactona a partir de materiales de partida simples, ", Dijo Wencewicz." Dado que conocemos las secuencias de genes que codifican esta línea de montaje, estamos utilizando el poder de la secuenciación del genoma moderno para buscar y producir nuevas ß-lactonas producidas por otros organismos ".
Cualquiera que esté familiarizado con la larga y frustrante batalla para producir suficiente penicilina para ayudar a los soldados heridos durante la Segunda Guerra Mundial solo puede maravillarse con los impresionantes avances en genética y química que han permitido al laboratorio de Wencewicz colapsar el trabajo de muchas décadas en unos pocos años.
