A bactéria do solo Pseudomonas fluorescens, aqui brilhando intensamente sob a luz ultravioleta, exala um antibiótico chamado obafluorina, que possui uma nova estrutura de ß-lactona. Crédito:Washington University em St. Louis
O componente ativo da droga milagrosa penicilina e antibióticos relacionados, como as cefalosporinas, é um "anel encantado, "chamado de anel β-lactâmico. Os antibióticos que incluem esses anéis são indiscutivelmente os medicamentos mais importantes da história humana, tendo, sozinho, aumentado a expectativa de vida global em cerca de cinco anos.
"As pessoas costumam dizer que estamos ficando sem antibióticos, mas são mais de 20, 000 moléculas com atividade antibiótica no Handbook of Antibiotics, "disse Timothy Wencewicz, um químico da Washington University em St. Louis, especializado em design de antibióticos.
“Menos de 1 por cento deles já foi considerado um candidato clínico em potencial. Eles definem porque leva muito tempo e cuidado para preparar uma molécula para uso como produto farmacêutico.
Wencewicz escolheu cuidadosamente uma dessas moléculas, obafluorin, para um estudo mais aprofundado. Oblafluorin, descoberto em 1984 pelo Squibb Institute, é feito por uma cepa fluorescente de bactéria do solo que forma biofilmes nas raízes das plantas.
Como a penicilina, obafluorin tem um anel de quatro membros. Um anel de quatro membros pressiona os ângulos de ligação que o carbono prefere adotar, explica Wencewicz. "A cepa transforma esses anéis em bombas moleculares que explodem quando são colocados no lugar certo na hora certa, que é útil para matar micróbios, " ele disse.
Mas porque um anel de quatro membros é instável, essas moléculas também têm vida curta e são difíceis de fabricar. Demorou anos para os químicos aprenderem a sintetizar a penicilina a partir de produtos químicos e então descobrir como os fungos a produzem. O antibiótico ainda é feito pela fermentação de uma cepa de fungo com exsudação de penicilina em cubas gigantes de aço inoxidável.
O laboratório Wencewicz conseguiu superar todo o processo, usando a genética para enfocar a maquinaria biossintética que as bactérias usam para fazer obafluorina e, em seguida, reconstruir essa multi-etapa, processo catalisado por enzima em laboratório.
O anel beta-lactâmico acopla três carbonos e um nitrogênio, enquanto o anel da beta-lactona consiste em três carbonos e um oxigênio. "Eles são essencialmente isoelétrons; eles têm a mesma aparência e cheiro, "Wencewicz disse." Mas o oxigênio é diferente do nitrogênio, e, portanto, eles têm uma paleta diferente de bioatividades e inibem um conjunto diferente de enzimas-alvo. "Crédito:Wencewicz
Wencewicz, alunos de graduação Mars Reck e Jason Schaffer, e o graduando Neha Prasad descrevem a maquinaria biossintética completa para a montagem da ß-lactona obafluorina na edição de 15 de maio da Nature Chemical Biology .
As ß-lactonas inibem uma grande classe de enzimas chamadas serina hidrolases. "Existem centenas de serina hidrolases conhecidas, e estão implicados em muitas doenças humanas, "Wencewicz disse. As ß-lactonas podem ser úteis no tratamento de câncer e obesidade, bem como doenças infecciosas.
Um caminho escuro trazido à luz
Obafluorin é um peptídeo, uma cadeia curta de aminoácidos ligados. A maioria dos peptídeos é produzida por uma máquina celular chamada ribossomo, que produz uma variedade de peptídeos. Obafluorin, Contudo, é montado não pelo ribossomo, mas por peptídeo sintetase não ribossomal (NRPS), uma enzima multipartes que sintetiza apenas um tipo de peptídeo.
Os ribossomos fazem os longos peptídeos chamados proteínas que são cruciais para a vida, Wencewicz disse. Os ribossomos evoluíram ao longo de milhões de anos para serem incrivelmente eficientes e precisos, ele adicionou, mas eles usam um conjunto limitado de blocos de construção de aminoácidos.
Antibióticos e outros metabólitos secundários que são úteis, mas não essenciais para a vida, são montados mais ou menos sob demanda pelas linhas de montagem do NRPS. Esses NRPSs são capazes de ligar milhares de diferentes blocos de construção de aminoácidos para formar pequenos peptídeos estruturalmente diversos com importante atividade biológica.
NRPSs são essencialmente uma série de enzimas unidas em uma grande proteína com muitos domínios, cada um dos quais realiza uma etapa na montagem do peptídeo. "Eles são como as linhas de montagem de Henry Ford, "Disse Wencewicz.
O laboratório Wencewicz identificou o agrupamento de genes em Pseudomonas fluorescente que torna o NRPS e fez as cinco enzimas que os genes codificaram.
A quinta enzima revelou-se particularmente interessante. É uma tioesterase incomum responsável pela formação do anel ß-lactona quando o peptídeo é liberado do NRPS. Ao contrário de outras enzimas tioesterase, a obafluorina tioesterase inclui um raro aminoácido catalítico que gera um intermediário tioéster reativo. Essa química incomum permite que o NRPS supere a barreira de energia que, de outra forma, impede a formação de um anel tenso.
Muitos mais anéis por vir
"Agora temos uma plataforma enzimática completa para a produção de peptídeos de ß-lactona a partir de matérias-primas simples, "Wencewicz disse." Uma vez que conhecemos as sequências de genes que codificam esta linha de montagem, estamos usando o poder do sequenciamento do genoma moderno para procurar e fazer novas ß-lactonas feitas por outros organismos. "
Qualquer pessoa familiarizada com a longa e frustrante batalha para produzir penicilina suficiente para ajudar os soldados feridos durante a Segunda Guerra Mundial só pode se maravilhar com os avanços de tirar o fôlego na genética e na química que permitiram ao laboratório Wencewicz reduzir o trabalho de muitas décadas em poucos anos.
