Il componente attivo del farmaco miracoloso penicillina e degli antibiotici correlati come le cefalosporine è un "anello incantato, " chiamato anello β-lattamico. Gli antibiotici che includono questi anelli sono probabilmente i farmaci più importanti nella storia umana, avendo da solo aumentato l'aspettativa di vita globale di circa cinque anni.

"La gente spesso dice che stiamo finendo gli antibiotici, ma sono più di 20, 000 molecole con attività antibiotica nel Manuale degli antibiotici, " disse Timothy Wencewicz, un chimico della Washington University di St. Louis specializzato nella progettazione di antibiotici.

"Meno dell'1% di questi è mai stato considerato un potenziale candidato clinico. Languono perché ci vuole così tanto tempo e cura per preparare una molecola per l'uso come farmaco.

Wencewicz scelse con cura una di queste molecole, obafluorin, per ulteriori studi. oblafluorin, scoperto nel 1984 dallo Squibb Institute, è costituito da un ceppo fluorescente di batteri del suolo che forma biofilm sulle radici delle piante.

Come la penicillina, obafluorin ha un anello a quattro membri. Un anello a quattro membri mette a dura prova gli angoli di legame che il carbonio preferisce adottare, spiega Wencewicz. "Il ceppo trasforma questi anelli in bombe molecolari che esplodono quando vengono messe nel posto giusto al momento giusto, che è utile per uccidere i microbi, " Egli ha detto.

Ma poiché un anello di quattro membri è instabile, queste molecole sono anche di breve durata e difficili da produrre. Ci sono voluti anni perché i chimici imparassero a sintetizzare la penicillina dalle sostanze chimiche e poi a capire come la producono i funghi. L'antibiotico è ancora prodotto dalla fermentazione di un ceppo di funghi che essuda penicillina in giganteschi tini di acciaio inossidabile.

Il laboratorio Wencewicz è stato in grado di superare l'intero processo, usando la genetica per concentrarsi sul macchinario biosintetico che i batteri usano per produrre l'obafluorin e poi per ricostruire quel multi-step, processo catalizzato da enzimi in laboratorio.

Wencewicz, studenti laureati Mars Reck e Jason Schaffer, e lo studente universitario Neha Prasad descrivono il macchinario biosintetico completo per l'assemblaggio del ß-lattone obafluorin nel numero del 15 maggio di Natura chimica biologia .

I ß-lattoni inibiscono una vasta classe di enzimi chiamati serina idrolasi. "Ci sono centinaia di idrolasi di serina conosciute, e sono implicati in molte malattie umane, " Wencewicz ha detto. I ß-lattoni possono rivelarsi utili nel trattamento del cancro e dell'obesità, così come le malattie infettive.

Un sentiero oscuro portato alla luce

L'obafluorin è un peptide, una corta catena di amminoacidi collegati. La maggior parte dei peptidi è prodotta da una macchina cellulare chiamata ribosoma, che produce una varietà di peptidi. obafluorin, però, è assemblato non dal ribosoma ma dalla sintetasi peptidica non ribosomiale (NRPS), un enzima multiparte che sintetizza un solo tipo di peptide.

I ribosomi producono i lunghi peptidi chiamati proteine ​​che sono cruciali per la vita, ha detto Wencewicz. I ribosomi si sono evoluti nel corso di milioni di anni per essere incredibilmente efficienti e precisi, Ha aggiunto, ma usano un insieme limitato di elementi costitutivi di aminoacidi.

Gli antibiotici e altri metaboliti secondari utili ma non essenziali per la vita vengono assemblati più o meno su richiesta dalle catene di montaggio NRPS. Questi NRPS sono in grado di collegare migliaia di diversi elementi costitutivi di aminoacidi per formare piccoli peptidi strutturalmente diversi con un'importante attività biologica.

Gli NRPS sono essenzialmente una serie di enzimi legati insieme in un'unica grande proteina con molti domini, ognuno dei quali esegue un passaggio nell'assemblaggio del peptide. "Sono un po' come le catene di montaggio di Henry Ford, " disse Wencewicz.

Il laboratorio di Wencewicz ha identificato il cluster di geni in Pseudomonas che rende fluorescente l'NRPS e ha creato i cinque enzimi codificati dai geni.

Il quinto enzima si è rivelato particolarmente interessante. È un'insolita tioesterasi responsabile della formazione dell'anello ß-lattone quando il peptide viene rilasciato dall'NRPS. A differenza di altri enzimi tioesterasici, l'obafluorin tioesterasi include un raro amminoacido catalitico che genera un intermedio tioestere reattivo. Questa chimica insolita consente all'NRPS di superare la barriera energetica che altrimenti impedisce la formazione di un anello teso.

Molti altri anelli in arrivo

"Ora disponiamo di una piattaforma enzimatica completa per produrre peptidi ß-lattone da semplici materiali di partenza, " Wencewicz ha detto. "Dal momento che conosciamo le sequenze geniche che codificano per questa catena di montaggio, stiamo usando la potenza del moderno sequenziamento del genoma per cercare e produrre nuovi ß-lattoni prodotti da altri organismi".

Chiunque abbia familiarità con la lunga e frustrante battaglia per produrre abbastanza penicillina per aiutare i soldati feriti durante la seconda guerra mondiale può solo meravigliarsi dei progressi mozzafiato nella genetica e nella chimica che hanno permesso al laboratorio di Wencewicz di ridurre il lavoro di molti decenni in pochi anni.