As bactérias são engenheiros mestres de pequenas, moléculas biologicamente úteis. Um novo estudo em Nature Communications revelou um dos truques deste comércio microbiano:sintetizar e, posteriormente, inserir uma ligação nitrogênio-nitrogênio, como uma peça pré-fabricada, em uma molécula maior.

A descoberta foi feita por um grupo colaborativo de químicos da Universidade de Illinois e da Universidade de Harvard. Juntos, eles confirmaram que dois de outra forma não relacionados, compostos produzidos por bactérias compartilham um conjunto incomum de etapas em suas vias biossintéticas. Decifrar esse tipo de processo bioquímico ajudará na busca por outros compostos biológicos úteis.

"É um identificador molecular ou genético se você deseja agora ir atrás de outras novas moléculas que as pessoas não encontraram antes, "disse Wilfred van der Donk, Richard E. Heckert Presidente com dotação de Química e Investigador do Howard Hughes Medical Institute. "Portanto, estamos muito entusiasmados com o que está no jornal e também com o que isso nos permite fazer daqui para frente."

Produtos naturais, substâncias produzidas por seres vivos, nos forneceram antibióticos, antifúngicos, terapias de câncer, e outros compostos farmacêuticos e industriais importantes; A exploração contínua do diversificado mundo químico dos micróbios é uma de nossas melhores esperanças para a descoberta futura de medicamentos. Um dos principais focos da pesquisa de van der Donk é a busca pela identificação de novos produtos naturais.

Van der Donk compartilha esse objetivo com uma equipe de pesquisa colaborativa dentro do Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica (IGB), da qual ele é membro. A equipe de pesquisa da Mining Microbial Genomes visa acelerar a busca por produtos naturais usando o poder das tecnologias genômicas de próxima geração. As ferramentas que as bactérias e outros micróbios usam para fazer produtos naturais são enzimas, proteínas especializadas codificadas por genes. O objetivo de pesquisa de longo prazo da equipe é aprender a ler genomas bacterianos e, com base nos genes que cada espécie possui, prever quais compostos eles são capazes de fazer.

A equipe está especialmente interessada em uma classe de moléculas chamadas fosfonatos, que já produziu vários compostos úteis. No início do presente estudo, eles queriam entender quais produtos gênicos permitem que uma célula forme uma característica-chave de um fosfonato particular chamado fosfazinomicina, um composto com propriedades antifúngicas:uma ligação química entre dois átomos de nitrogênio. Os compostos com ligações reativas de nitrogênio-nitrogênio prontamente reagem com outras moléculas, como DNA e proteínas e, como tal, podem contribuir para a atividade antimicrobiana ou anticâncer.

"Estávamos procurando a fosfazinomicina como um grupo por provavelmente uma década, por causa da estrutura muito incomum, mas não sabíamos quais genes "forneciam as enzimas para sintetizá-lo, van der Donk explicou. "Nós decidimos ok, vamos descobrir como a natureza faz essa ligação nitrogênio-nitrogênio. "

Depois que o grupo começou a trabalhar no projeto, duas publicações de pesquisadores focados em outros produtos naturais descreveram um processo de formação de ligações nitrogênio-nitrogênio em que um átomo de nitrogênio é construído na molécula, e outro é anexado posteriormente - o organismo está construindo a molécula peça por peça, como uma criança com um pacote básico de peças de Lego.

O grupo de Van der Donk descobriu com surpresa que a ligação nitrogênio-nitrogênio de sua molécula não estava sendo formada dessa maneira. Em vez de, as bactérias que estudaram estavam criando ligações nitrogênio-nitrogênio como parte de uma molécula muito menor, como uma peça especial de Lego, e depois instalando essa parte na molécula maior que se tornaria a fosfazinomicina.

"Percebemos à medida que continuamos trabalhando que em nosso sistema, é feito de forma muito diferente, "Van der Donk disse." Em nosso caso, parecia que a natureza estava fazendo essa ligação nitrogênio-nitrogênio contendo a molécula como uma entidade molecular pré-empacotada que mais tarde foi despejada em uma via biossintética existente ".

O projeto de pesquisa deu outra reviravolta inesperada quando o estudante de graduação e co-primeiro autor Kwo-Kwang (Abraham) Wang apresentou os resultados preliminares em uma conferência. Ele foi abordado por Tai Ng, estudante de graduação em química de Harvard, que junto com seu grupo de laboratório liderado pela professora Emily Balskus estava estudando um produto natural e um agente anticancerígeno promissor chamado quinamicina. A cinamicina contém uma ligação nitrogênio-nitrogênio, e a pesquisa de Ng sugeriu que ele também compartilha a etapa de pré-fabricação suspeita de fosfazinomicina.

"Observamos que sua molécula [é sintetizada usando] os mesmos genes, mas também não sabíamos como isso se encaixava, porque eles estão fazendo uma estrutura contendo uma ligação nitrogênio-nitrogênio completamente diferente que não se parece em nada com a nossa molécula, "van der Donk disse. Os dois grupos começaram a trabalhar juntos, coordenar experimentos em que moléculas marcadas foram alimentadas a bactérias capazes de sintetizar cada um dos dois produtos naturais, para ver quais estruturas moleculares intermediárias podem ser perfeitamente introduzidas na via natural de biossíntese dentro da célula.

"Faríamos esses compostos rotulados, dê-os ao organismo produtor, isolar o produto final, para o grupo Harvard quinamicina e para nós fosfazinomicina, e ver se a porção nitrogênio-nitrogênio das moléculas que alimentávamos esses organismos foi instalada no produto final, "Van der Donk disse." Fizemos isso para quatro compostos diferentes e, sempre que a resposta era sim, sim, sim, sim."

Encontrar essa semelhança improvável na maneira como duas moléculas diferentes são produzidas aumentou a confiança dos pesquisadores nas funções funcionais dos genes envolvidos. Eles agora têm uma nova assinatura genômica para adicionar ao seu léxico, algo que eles podem procurar em outros genomas bacterianos enquanto continuam a busca por produtos naturais úteis.

"Precisamos aprender mais sobre como os produtos naturais conhecidos são feitos. Este é um ótimo exemplo; agora que sabemos, podemos usar esse conhecimento. Antes disso, era apenas um monte de genes e não sabíamos realmente o que fazer com eles, "Van der Donk disse." Ao ir atrás de grupos de genes desconhecidos [esperamos ser capazes de] ver imediatamente a partir do grupo de genes, isso tem que ser uma nova molécula. . . essa molécula poderia ser o próximo antibiótico ou a próxima droga antitumoral? "