O colecţie de produse aflată în baza de date a unui Institut pentru inovaţie şi tehnologie biomedicală din Statele Unite dezvăluie noi enzime cu proprietăţi surprinzătoare. Centrul deţine una dintre cele mai mari colecţii de produse chimice naturale microbiene din lume. Oamenii de ştiinţă care au făcut recenta descoperire cred că aceste substanţe naturale ar putea fi folosite în bolile umane, inclusiv în cancer.
O cercetare publicată recent în revista Nature Chemical Biology, descrie descoperirea a două noi enzime, cu proprietăţi unice deosebite care ar putea ajuta în lupta împotriva bolilor, inclusiv a cancerului.
Descoperirea oferă modalităţi potenţial mai uşoare de a studia şi de a fabrica substanţe chimice naturale complexe, inclusiv cele care ar putea deveni medicamente.
Contribuţia substanţelor chimice bacteriene la istoria descoperirii medicamentelor este remarcabilă, spune chimistul Ben Shen, care conduce Centrul pentru descoperirea produselor naturale din cadrul Institutului UF Scripps pentru inovaţie şi tehnologie biomedicală din Statele Unite, care deţine una dintre cele mai mari colecţii de produse naturale microbiene din lume.
„Puţini oameni ştiu că aproape jumătate dintre antibioticele şi medicamentele anticancerigene aprobate de către Administraţia americană pentru Alimente şi Medicamente (FDA) de pe piaţă sunt produse naturale sau sunt inspirate de acestea", explică Shen.
„Natura este cel mai bun chimist care produce aceste produse naturale complexe. Noi aplicăm tehnologii genomice moderne şi instrumente computaţionale pentru a înţelege chimia şi enzimologia lor fascinantă, iar acest lucru duce la progrese cu o viteză fără precedent. Aceste două enzime sunt cel mai recent exemplu interesant", notează cercetătorul.
Enzimele descoperite de echipă sunt numite „oxigenaze fără cofactor". Asta înseamnă că enzimele bacteriene extrag oxigenul din aer şi îl încorporează în noi compuşi, fără a avea nevoie de metalele tipice sau de alţi cofactori pentru a iniţia reacţia chimică necesară.
Acest nou mod de sintetizare a substanţelor de apărare ar conferi un avantaj de supravieţuire, permiţând organismului să respingă infecţiile sau invadatorii.
Enzimele oferă oamenilor de ştiinţă noi modalităţi de a crea lucruri utile, spun cercetătorii.
Descoperirea enzimelor, TnmJ şi TnmK2, rezolvă un mister persistent cu privire la modul în care un potenţial compus antibiotic şi anticancerigen pe care laboratorul lui Shen l-a descoperit pentru prima dată în 2016, tiancimicina A, a atins o asemenea potenţă.
Enzimele permit bacteriilor să producă compuşi pentru ţintirea şi ruperea ADN-ului, ceea ce ar putea fi extrem de util în lupta împotriva unui virus sau a unui alt germen, sau pentru a distruge cancerul.
Tiancimicina A este în curs de dezvoltare ca parte a unei terapii cu anticorpi care ţintesc cancerul. Aceste tipuri de terapii combinate anticorp-medicament reprezintă o nouă abordare în creştere rapidă pentru combaterea cancerului.
Dar un pas esenţial pentru utilizarea tiancimicinei A ca sarcină utilă a unui anticorp este producerea unei cantităţi suficiente pentru a o studia la scară mai mare. Acest lucru s-a dovedit a fi o provocare.
Chiar şi după ce oamenii de ştiinţă au identificat genele responsabile pentru codificarea tiancimicinei A, mai multe dintre etapele necesare pentru a o sintetiza nu au putut fi prevăzute.
Cele două enzime descrise în studiul recent sunt însă foarte neobişnuite.
Tiancimicina A a fost descoperită pentru prima dată într-o bacterie care trăieşte în sol, un tip de Streptomyces din colecţia de tulpini de la Centrul de descoperire a produselor naturale.
Pentru a fabrica puternica sa armă chimică, organismul a trebuit să rezolve o problemă. A trebuit cumva să rupă trei legături carbon-carbon foarte stabile şi să le înlocuiască cu legături carbon-oxigen mai reactive.
Multă vreme, oamenii de ştiinţă nu au reuşit să înţeleagă cum a reuşit bacteria să realizeze această performanţă.
Rezolvarea misterului a implicat găsirea altor bacterii producătoare de produse naturale asemănătoare tiancimicinei A în colecţia de 125.000 de tulpini bacteriene a Centrului de descoperire a produselor naturale al institutului şi analizarea genomurilor acestora pentru a căuta indicii evolutive.
Colecţia istorică a fost mult timp adăpostită în subsolul unei companii farmaceutice, colectată de-a lungul deceniilor care au urmat descoperirii penicilinei, în goana plină de speranţă a comunităţii ştiinţifice de a găsi următorul mare antibiotic.
Colecţia a generat mai multe medicamente importante de-a lungul anilor, inclusiv antibioticul pentru tuberculoză, streptomicina, şi medicamentul pentru transplant de organe, sirolimus. Dar majoritatea tulpinilor bacteriene liofilizate din colecţie au rămas neexplorate, în flacoanele lor de sticlă.
În 2018, Shen a câştigat un concurs astfel încât colecţia să poată fi investigată pe deplin într-un cadru academic, unde ar fi deschisă ştiinţei.
Echipa dezvoltă acum modalităţi de a studia tulpinile, de a le citi genomurile şi de a depune informaţiile într-o bază de date care poate fi consultată şi accesată de comunitatea ştiinţifică.
Tehnicile moderne de secvenţiere a genomului şi de bioinformatică dovedesc că ar putea exista până la 30 de grupuri de gene interesante în fiecare tulpină de bacterii pe care cercetătorii o studiază, iar multe dintre acestea codifică produse naturale care nu au mai fost documentate până acum de oamenii de ştiinţă, a declarat Shen, care este membru al Centrului de cancer UF Health.
Descoperirea noilor enzime fără cofactor nu este decât cel mai recent exemplu al bogăţiei chimice care se află în colecţia Institutului Wertheim UF Scripps, spune Shen.
Descoperirea a stârnit un nou entuziasm în ceea ce priveşte investigarea în continuare a motivelor pentru care a evoluat această chimie unică şi a modurilor în care se poate dovedi utilă.
„Această cercetare subliniază câte surprize ne rezervă încă natura", a spus Shen. „Ne poate învăţa multe despre chimia şi biologia fundamentală şi ne poate oferi instrumentele şi inspiraţia de care avem nevoie pentru a transpune descoperirile de laborator în medicamente care au impact asupra societăţii şi care abordează multe probleme cu care se confruntă omenirea", a mai precizat omul de ştiinţă.
Foto: Profesorul de chimie Ben Shen conduce Centrul de descoperire a produselor naturale din cadrul Institutului Herbert Wertheim UF Scripps pentru inovare şi tehnologie biomedicală. Centrul deţine una dintre cele mai mari colecţii de produse chimice naturale microbiene din lume. Credit foto: Scott Wiseman. Institutul Herbert Wertheim UF Scripps pentru inovaţie şi tehnologie biomedicală, Universitatea din Florida.
