Химики из Scripps Research успешно создали три семейства сложных кислородсодержащих молекул, которые обычно можно получить только из растений.
Эти молекулы, называемые терпенами, являются потенциальными отправными точками для новых лекарств и других ценных продуктов, что знаменует собой важную разработку для многих отраслей промышленности. Кроме того, новый подход может позволить химикам создавать многие другие классы соединений.
Химический подвиг подробно описан в выпуске журнала Science от 13 августа.
Ключом к этому новому методу создания молекул является использование или захват природных ферментов - в данном случае из бактерий - для помощи в сложных химических превращениях, которые были непрактичны или невозможны с помощью одних только методов синтетической химии, говорит главный исследователь Ханс Рената, доктор философии, доцент кафедры химии Scripps Research.
Природные ферменты, которые помогают строить молекулы в клетках, обычно выполняют только одну или две очень специфические задачи. Но исследовательская группа Scripps показала, что природные ферменты, даже без модификации, могут выполнять более широкий круг задач.
"Мы думаем, что в целом ферменты являются в основном неиспользованным ресурсом для решения проблем химического синтеза", - говорит Рената. «Ферменты, как правило, обладают некоторой степенью беспорядочной активности с точки зрения их способности стимулировать химические реакции, выходящие за рамки их основной задачи, и мы смогли воспользоваться этим здесь."
Использование скрытых возможностей ферментов
Ферменты помогают строить молекулы у всех видов растений, животных и микробов. Вдохновленные их эффективностью в построении очень сложных молекул, химики уже более полувека используют ферменты в лаборатории для создания ценных соединений, включая лекарственные соединения, но обычно эти соединения представляют собой те же молекулы, которые ферменты помогают создавать в природе.
Использование природных ферментов в более широком смысле, в соответствии с их основной биохимической активностью, является новой стратегией с огромным потенциалом.
«Сейчас мы считаем, что всякий раз, когда мы хотим синтезировать сложную молекулу, решение, вероятно, уже существует среди природных ферментов - нам просто нужно знать, как найти ферменты, которые будут работать», - говорит старший автор Бен Шен. Доктор философии, заведующий кафедрой химии в кампусе Флориды и директор Исследовательского центра натуральных продуктов Scripps Research.
Команде удалось получить девять терпенов, которые, как известно, производятся в Isodon, семействе цветковых растений, родственных мяте. Комплексные соединения принадлежат к трем семействам терпенов с родственными химическими структурами: энт-каураны, энт-атизаны и энт-трахилобаны. Члены этих семейств терпенов обладают широким спектром биологической активности, включая подавление воспаления и рост опухоли.
Рецепт успеха синтеза
Синтез каждого соединения, состоящий менее чем из 10 стадий, представлял собой гибридный процесс, сочетающий современные методы органического синтеза с синтезом, опосредованным ферментами, на основе недорогого соединения под названием стевиозид, основного компонента искусственного подсластителя стевии.
Главной трудностью было прямое замещение атомов водорода атомами кислорода в сложной схеме на углеродном скелете исходного соединения. Современные методы органического синтеза имеют ограниченный арсенал для таких преобразований. Однако природа произвела множество ферментов, которые могут обеспечить эти преобразования, каждый из которых способен выполнять свою функцию со степенью контроля, не имеющей себе равных в искусственных методах.
Будучи междисциплинарной исследовательской группой, мы были полностью осведомлены об ограничениях современных методов органического синтеза, а также о многих уникальных способах, которыми ферменты могут преодолеть эти ограничения, и у нас было понимание того, как объединить традиционную синтетическую химию с ферментативные методы в синергетической манере», - говорит Рената.
Три используемых фермента, которые были идентифицированы и охарактеризованы Шеном, Ренатой и их коллегами только в прошлом году, естественным образом вырабатываются бактерией - одним из более чем 200 000 видов в Коллекции микробных штаммов в Исследовательском центре естественных наук Скриппса. Центр изучения продуктов.
Мы смогли использовать эти ферменты не только для модификации исходных молекул, или каркасов, как мы их называем, но и для превращения одного каркаса в другой, чтобы мы могли превратить терпен из одного семейства в терпен из другого другая семья», - говорит второй автор Эмма Кинг-Смит, аспирант лаборатории Renata.
Теперь химики намерены использовать свой новый подход для получения полезных количеств девяти соединений, а также химических вариантов соединений, и, с сотрудничающими лабораториями, исследовать их свойства в качестве потенциальных лекарств или других продуктов.
«С нашей стратегией мы можем получить эти сильно окисленные дитерпены гораздо проще и в больших количествах, чем это было бы возможно, изолируя их от растений, где они встречаются в природе», - говорит первый автор Сяо Чжан, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Renata.
Что не менее важно, говорят исследователи, они работают над определением реакций и ферментов, которые позволят им расширить свой подход к другим классам молекул.
Центральное место во всех этих усилиях занимает непрерывная разработка методов просеивания ДНК микробов и других организмов с целью выявления ферментов, которые они кодируют, и прогнозирования активности этих ферментов. В растениях, животных и бактериях на Земле существуют миллиарды различных ферментов, и на сегодняшний день каталогизирована лишь малая часть из них.
«Мы в восторге от потенциала открытия новых и полезных ферментов из нашей библиотеки штаммов здесь, в Scripps Research», - говорит Рената. «Мы думаем, что это позволит решить многие другие проблемы химического синтеза».
Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения (GM134954, GM128895 и GM124461).