Le immagini di una proteina coinvolta nella creazione di un potente antibiotico rivelano gli insoliti primi passi della sintesi dell'antibiotico. La migliore comprensione della chimica alla base di questo processo, dettagliato in un nuovo studio condotto dai chimici della Penn State, potrebbe consentire ai ricercatori di adattare questo e composti simili per l'uso nella medicina umana.

"L'antibiotico thiostrepton è molto potente contro i patogeni Gram-positivi e può persino colpire alcune cellule del cancro al seno in coltura, " disse Squire Booker, un biochimico alla Penn State e ricercatore presso l'Howard Hughes Medical Institute. "Anche se è stato usato localmente in medicina veterinaria, finora è stato inefficace nell'uomo perché è scarsamente assorbito. Abbiamo studiato i primi passi nella biosintesi di thiostrepton nella speranza di essere finalmente in grado di dirottare determinati processi e creare analoghi della molecola che potrebbero avere migliori proprietà medicinali. È importante sottolineare che questa reazione si trova nella biosintesi di numerosi altri antibiotici, e quindi il lavoro ha il potenziale per essere di vasta portata".

Il primo passo nella sintesi di thiostrepton comporta un processo chiamato metilazione. Un tag molecolare chiamato gruppo metilico, che è importante in molti processi biologici, viene aggiunto a una molecola di triptofano, substrato della reazione. Uno dei principali sistemi per la metilazione di composti non particolarmente reattivi, come il triptofano, coinvolge una classe di enzimi chiamati proteine ​​SAM radicali.

"Le proteine ​​radicali SAM di solito usano un cluster ferro-zolfo per scindere una molecola chiamata S-adenosil-L-metionina (SAM), producendo un "radicale libero" o un elettrone spaiato che aiuta a far avanzare la reazione, "ha detto Hayley Knox, uno studente laureato in chimica alla Penn State e primo autore dell'articolo. "L'unica eccezione che conosciamo finora è la proteina coinvolta nella biosintesi del tiostrepton, chiamato TsrM. Volevamo capire perché TsrM non fa chimica radicale, quindi abbiamo usato una tecnica di imaging chiamata cristallografia a raggi X per indagare sulla sua struttura in diverse fasi durante la sua reazione".

In tutte le proteine ​​SAM radicaliche caratterizzate fino ad oggi, SAM si lega direttamente al cluster ferro-zolfo, che aiuta a frammentare la molecola per produrre il radicale libero. Però, i ricercatori hanno scoperto che il sito in cui normalmente si lega SAM è bloccato in TsrM.

"Questo è completamente diverso da qualsiasi altra proteina SAM radicale, " disse Booker. "Invece, la porzione di SAM che si lega al cluster si associa al substrato del triptofano e svolge un ruolo chiave nella reazione, in quella che viene chiamata catalisi assistita da substrato".

I ricercatori presentano i loro risultati in un articolo apparso il 18 gennaio sulla rivista Chimica della natura .

Nel risolvere la struttura, i ricercatori sono stati in grado di dedurre i passaggi chimici durante la prima parte della biosintesi di tiostrepton, quando il triptofano è metilato. In breve, il gruppo metilico da SAM si trasferisce a una parte di TsrM chiamata cobalamina. Quindi, con l'aiuto di una molecola SAM aggiuntiva, il gruppo metilico si trasferisce al triptofano, rigenerando la cobalamina libera e producendo il substrato metilato, che è necessario per i passaggi successivi nella sintesi dell'antibiotico.

"La cobalamina è il nucleofilo più forte in natura, il che significa che è altamente reattivo, " disse Knox. "Ma il substrato triptofano è debolmente nucleofilo, quindi una grande domanda è come potrebbe mai essere sostituito il cobalamina. Abbiamo scoperto che un residuo di arginina si trova sotto la cobalamina e destabilizza la metil-cobalamina, permettendo al triptofano di sostituire la cobalamina e diventare metilato."

Successivamente i ricercatori hanno in programma di studiare altre proteine ​​SAM radicali dipendenti dalla cobalamina per vedere se funzionano in modo simile. In definitiva, sperano di trovare o creare analoghi di thiostrepton che possono essere utilizzati nella medicina umana.

"TsrM è chiaramente unico in termini di note proteine ​​SAM radicali dipendenti dalla cobalamina e proteine ​​​​SAM radicali in generale, " ha detto Booker. "Ma ci sono centinaia di migliaia di sequenze uniche di enzimi SAM radicali, e ancora non sappiamo cosa faccia la maggior parte di loro. Mentre continuiamo a studiare queste proteine, potremmo essere in serbo per molte altre sorprese."