Un gruppo di composti altamente reattivi chiamati persolfuri ha suscitato grande curiosità tra i biochimici, a causa del loro ruolo nella natura, e come interagiscono con le proteine ​​per cambiare la loro struttura e funzione, che influiscono sulla salute, processi di invecchiamento e malattia.

Lo studio dei persolfuri e dei loro effetti si è rivelato impegnativo, però, a causa dell'instabilità della sostanza chimica. Non appena si generano i persolfuri, vogliono reagire con le molecole vicine prima che possano essere completamente studiati.

Un nuovo studio del campus della Florida di Scripps Research, pubblicato in Comunicazioni sulla natura 28 settembre rivela un modo precedentemente non riconosciuto in cui la natura risolve questo problema e fa uso di persolfuri, attraverso la generazione di enzimi utili che svolgono un ruolo nel posizionamento dello zolfo. La scoperta fornisce ai ricercatori un nuovo metodo per generare molecole a base di zolfo potenzialmente importanti in laboratorio, e offre una risposta a uno degli affascinanti misteri biologici della natura:in primo luogo come fa lo zolfo a integrarsi in molecole complesse?

Lo zolfo è il quinto elemento più comune della vita, eppure la natura usa un numero relativamente piccolo di meccanismi per installarlo in piccole molecole, dice Ben Shen, professore e presidente del Dipartimento di Chimica di Scripps Research in Jupiter, Florida, e autore senior dello studio.

Shen si è chiesto a lungo come gli atomi di zolfo potessero essere incorporati nella struttura di composti interessanti da lui studiati, tra cui guangnanmicina e leinamicina, dati quei meccanismi limitati.

Scoperto per la prima volta nel 1989, la leinamicina è una sostanza naturale che dimostra proprietà antimicrobiche e antitumorali. Con l'aiuto della loro crescente collezione di ceppi microbici, Shen e il suo team hanno scoperto nel 2017 dozzine di membri di quella che in realtà è una famiglia sostanziale di varianti della leinamicina in natura. I due zolfi della leinamicina sono fondamentali per la sua attività antitumorale, Shen trovato.

La recente acquisizione di una delle più grandi raccolte di ceppi microbici al mondo da parte di Scripps Research Florida ha offerto al gruppo di Shen un nuovo modo di indagare sulla questione, attraverso la ricerca mirata di nuovi enzimi, catalizzatori della natura. Tale processo comporta la crescita di quantità maggiori dei ceppi di interesse, quindi estrarre - sequenziare e analizzare - il loro materiale genetico per i segni rivelatori di enzimi.

"Ora abbiamo scoperto un nuovo meccanismo mediante il quale la natura installa contemporaneamente due atomi di zolfo in una piccola molecola, superando la sfida di lunga data nella loro instabilità, " Shen dice. "Questa particolare scoperta illustra quanto sia potente la nostra collezione di ceppi di prodotti naturali, e come ci consente di fare cose innovative".

La collezione di prodotti naturali di Scripps Research in Florida comprende più di 125, 000 ceppi di batteri, che sono stati raccolti da gruppi di ricerca in tutto il mondo durante i decenni successivi alla scoperta della streptomicina.

I batteri del suolo devono evolvere diversi, prodotti naturali biologicamente attivi per sopravvivere in un mondo ostile e competitivo. Questi prodotti naturali hanno un enorme potenziale per agire come medicinali o servire ad altri scopi, se possono essere scoperti, studiato e compreso, Shen dice.

La costruzione di queste molecole richiede che i batteri agiscano come chimici stessi, ideando processi a volte innovativi come nuovi enzimi catalitici, dice Song Meng, dottorato di ricerca, un autore principale della pubblicazione.

"Lo studio dei prodotti naturali ci permette di esplorare come la natura usa semplici mattoni per costruire le strutture più complesse che l'umanità abbia mai visto, che offre opportunità per la scoperta di enzimi e un potenziale impatto in tutto il campo della chimica organica, "dice Meng.

Imparando come la Natura costruisce prodotti naturali, i ricercatori del laboratorio di Shen mirano a ispirare gli sforzi futuri in diversi campi come la microbiologia, biotecnologia, chimica organica, e chimica medicinale.

I coautori dello studio Meng e Andrew Steele, dottorato di ricerca, hanno ricordato il momento in cui sapevano che avrebbero raggiunto il loro obiettivo.

"Avevamo lavorato instancabilmente per produrre persolfuri instabili. Si degradano in acido solfidrico maleodorante, così la prima volta che abbiamo sentito l'odore di uova marce sapevamo di aver fatto un passo avanti, "dice Steele.

Subito dopo, scoprirono le tiocisteine ​​liasi, una famiglia di enzimi precedentemente sconosciuti che la natura usa per produrre persolfuri come intermedi chiave per costruire l'intera famiglia di prodotti naturali della leinamicina.

La collezione di prodotti naturali è stata la chiave del loro successo, aggiunge Edward Kalkreuter, dottorato di ricerca, un coautore sulla carta.

"Mentre tradizionalmente si poteva studiare solo una via biosintetica alla volta, la nostra collezione di ceppi ora ci permette di scoprire famiglie legate all'evoluzione, confrontando e valutando contemporaneamente molti percorsi simili, " Aggiunge.

È probabile che gli enzimi che consentono la formazione del persolfuro abbiano un'ampia gamma di potenziali applicazioni in futuro, aggiungono.

"I persolfuri sono stati trovati in numerosi sistemi biochimici fondamentali e correlati alle malattie, ma il campo della chimica sintetica ha solo pochi metodi specializzati a sua disposizione per generarli, " Dice Steele. "Abbiamo scoperto che la natura ci ha fornito una soluzione per affrontare questo problema".

L'attuale scoperta arricchisce la cassetta degli attrezzi necessaria per progettare composti contenenti zolfo, e apre la strada ai biologi sintetici per sviluppare classi di molecole completamente nuove per influenzare la chimica, biologia, e medicina, dicono.

"Dico ai miei studenti, se vuoi scoprire qualcosa, scopri come fa la natura, che può presentare una soluzione, " dice Shen.