Os químicos determinaram pela primeira vez a estrutura cristalina de um componente chave da enzima monensina e desbloquearam o mecanismo da sua actividade reaccional.



“A principal descoberta foi a primeira estrutura cristalina para esta família de enzimas”, disse Chu-Young Kim, professor de Bioquímica da Universidade de Illinois Urbana-Champaign (UIUC), que liderou a parte experimental do estudo. Ele e seus colegas resolveram a estrutura cristalina da MonCI, uma enzima chave nas bactérias do solo que sintetiza naturalmente a monensina.

Lela Vukovic, professora associada da Universidade do Texas, em El Paso (UTEP), realizou os estudos computacionais sobre a pesquisa da monensina, publicados na Nature Communications .

A iniciativa de infraestrutura cibernética de pesquisa da Universidade do Texas (UTRC) concedeu alocações de supercomputadores Vukovic no sistema Lonestar6 no Texas Advanced Computing Center (TACC) para enfrentar esses desafios. A UTRC fornece recursos avançados de computação para pesquisadores em todas as 14 instituições do Sistema UT.

O Lonestar6 da TACC ajudou a revelar a sequência de reação que produz a monensina. Esta pesquisa abre a porta para o desenvolvimento futuro de antibióticos mais seguros e eficazes.

“Descobrimos que o MonCI é usado para realizar três reações cruciais de epoxidação”, disse Kim. “Isso é muito incomum e tem implicações sobre como podemos projetar a bactéria para produzir novos antibióticos”.

Kim, que recentemente deixou a UTEP para ingressar na UIUC, consultou o laboratório de Vukovic com os resultados da estrutura e cheio de novas perguntas. O que ele descobriu foi uma reação sequencial interessante dentro da enzima. Porém, ainda era experimentalmente impossível obter a estrutura cristalina da enzima com o substrato em seu modo ativo.

Foi quando Kim e Vukovic decidiram modelar a enzima e o subestado em simulações quando o substrato é estável. Se um substrato for estável em uma determinada posição, então pode ocorrer uma reação para essa posição.

Vukovic e seus alunos Tara Nitka e Anju Yadav desenvolveram modelos completos do sistema de aproximadamente 78.000 átomos com base nas estruturas cristalinas determinadas pelos experimentalistas do estudo.

“Os desafios computacionais surgiram do exame de múltiplos sistemas para determinar a posição em que a premonensina A e suas versões epoxidadas são mais estáveis ​​e têm maior probabilidade de sofrer primeira, segunda e terceira reações de epoxidação”, disse Vukovic.

“Os supercomputadores têm sido muito úteis na caracterização destas moléculas biológicas que produzem antibióticos naturalmente”, acrescentou Vukovic. "Não seríamos capazes de realizar estudos computacionais sem eles. Os estudos computacionais nos ajudam a descobrir e compreender essas reações sequenciais complexas, importantes para a sociedade."

Vukovic realizou sua pesquisa de pós-doutorado na UIUC sob a orientação do falecido Klaus Schulten, cujo legado continua vivo no software NAMD que seu grupo desenvolveu e foi usado neste estudo e em inúmeros outros.

“A UIUC está trabalhando muito para otimizar o NAMD para rodar nos supercomputadores do país, como Lonertar6 e Stampede2 no TACC”, disse ela. “O NAMD nos permitiu ampliar essa enzima e ver quais reações acontecem primeiro, segundo e terceiro para gerar monensina”.

“A biossíntese da monensina requer pelo menos 14 enzimas diferentes, uma das quais é a MonCI”, acrescentou Kim. "Devemos também investigar todas as outras enzimas. No futuro, esperamos gerar versões melhoradas da monensina para cuidar melhor do gado e das aves. Além disso, a monensina é tóxica para cavalos e cães, por isso estes animais de criação são por vezes envenenados acidentalmente e morto. Portanto, uma monensina não tóxica é necessária."

Os autores são Qian Wang, Tara A. Nitka, Anju Yadav e Lela Vukovic, da Universidade do Texas em El Paso; Ning Liu, Hongli Xiao, Hui Yang e Xi Chen da Northwest University, China; Irimpan I. Mathews do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC; e Chu-Young Kim, da Universidade de Illinois Urbana-Champaign.

Mais informações: Qian Wang et al, Formação de triepóxido por uma monooxigenase dependente de flavina na biossíntese de monensina, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41889-0
Fornecido pela Universidade do Texas em Austin