Questa illustrazione mostra il percorso biosintetico che incorpora Se in piccole molecole microbiche, che punta verso uno "spazio chimico" non sfruttato nei batteri che ora possono essere estratti per nuovi prodotti naturali. Credito:Natura (2022). DOI:10.1038/s41586-022-05174-2
I ricercatori della Princeton Chemistry hanno scoperto un percorso biosintetico che incorpora il selenio in piccole molecole microbiche, segnando la prima volta che tali atomi sono stati scoperti in prodotti naturali e aprendo nuove strade nella selenobiologia.
La ricerca suggerisce inoltre fortemente che il selenio, un oligoelemento essenziale in tutti i regni della vita, potrebbe avere un ruolo biologico più importante nei batteri rispetto a quanto inizialmente ipotizzato dagli scienziati.
L'articolo del laboratorio, "Biosintesi di piccole molecole contenenti selenio in diversi microrganismi", è stato scritto da Chase Kayrouz, uno studente laureato del quarto anno in laboratorio; postdoc Jonathan Huang e Nicole Hauser; e Mohammad Seyedsayamdost, professore al Dipartimento di Chimica.
"Questo era una specie di campo chiuso. Nessuno aveva trovato un nuovo percorso nel metabolismo del selenio in 20 anni", ha detto Kayrouz. "La biosintesi delle selenoproteine e degli acidi selenonucleici è stata chiarita negli anni '80 e '90. E da allora, le persone hanno pensato che queste fossero le uniche cose che i microbi fanno con il selenio. Ci siamo semplicemente chiesti se potrebbero incorporare il selenio in altre piccole molecole? Si scopre che lo fanno."
Seyedsayamdost afferma che il loro "lavoro mostra che la natura ha effettivamente sviluppato percorsi per incorporare questo elemento in piccole molecole, zuccheri e metaboliti secondari. Il selenio ha proprietà notevoli che sono distinte da quelle di qualsiasi altro elemento presente nelle biomolecole. Incorporazione del selenio nella selenoneina, ad esempio, lo rende un antiossidante molto migliore rispetto alla versione della molecola con zolfo. Ma mentre lo zolfo è onnipresente nelle biomolecole, la presenza di selenio è molto più rara e si pensava fosse limitata ai biopolimeri."
"La natura ha sviluppato meccanismi specifici per incorporare zolfo o selenio nei prodotti naturali, sfruttando così le proprietà uniche di entrambi gli elementi attraverso percorsi specifici per ciascuno."
Alla ricerca del selenio
Il laboratorio ha iniziato la sua indagine partendo dal presupposto che gli atomi di selenio dovrebbero esistere nei prodotti naturali a causa della loro ubiquità di utilizzo altrove. Hanno chiesto, come sarebbe una tale firma nei genomi microbici?
"Come fai a vedere dove si trova un nuovo farmaco, un prodotto naturale o un metabolita del selenio, come lo trovi?" disse Kayrouz. "Di solito cerchiamo cluster di geni biosintetici, gruppi di geni sul cromosoma che codificano per la biosintesi di tali molecole. Quindi, se abbiamo un percorso per creare un composto contenente selenio, deve essere codificato dai geni".
Hanno implementato una strategia di estrazione del genoma alla ricerca di geni che si trovano accanto a selD, che codifica il primo passaggio di tutti i processi conosciuti del selenio all'interno della cellula.
Abbastanza rapidamente, hanno trovato un gene che era co-localizzato con selD, chiamato senB, che ha attirato la loro attenzione, in particolare perché prima non era stato implicato nel metabolismo del selenio.
Ulteriori esami hanno scoperto un terzo gene co-localizzato, chiamato SenA. Kayrouz ha ipotizzato che questi tre geni possano essere coinvolti in una nuova via biosintetica del selenio.
"In primo luogo, abbiamo definito come sarebbe un cluster di geni biosintetici che incorpora il selenio", ha affermato Seyedsayamdost. "Abbiamo quindi utilizzato la bioinformatica per cercare tali geni e identificato ciò che ora chiamiamo "cluster sen" in diversi genomi microbici".
Sono stati in grado di esprimere ciascuno di questi nuovi geni in Escherichia coli, assemblando così l'intero percorso in una provetta. Ciò ha rivelato la produzione di due piccole molecole contenenti selenio:un selenozucchero e una molecola chiamata selenoneina. Ha anche rivelato due enzimi che formano legami carbonio-selenio, i primi enzimi di questo tipo ad agire su piccole molecole biologiche.
"I microbi stanno mettendo il selenio in questi composti per una ragione, quindi ci deve essere qualche interessante bioattività ad essi associata", ha detto Kayrouz. "Non sappiamo ancora cosa sia, ma è estremamente eccitante. Come chimici biologici, scoperte come questa sono ciò per cui ci svegliamo ogni giorno."
La ricerca è stata pubblicata su Natura . + Esplora ulteriormente
