El componente activo del maravilloso fármaco penicilina y antibióticos relacionados, como las cefalosporinas, es un "anillo encantado", llamado anillo \ beta - lactama. Los antibióticos que incluyen estos anillos son posiblemente los fármacos más importantes en la historia de la humanidad, ya que han aumentado por sí solos a nivel mundial.esperanza de vida en un estimado de cinco años.
"La gente suele decir que nos estamos quedando sin antibióticos, pero hay más de 20.000 moléculas con actividad antibiótica en el Manual de antibióticos", dijo Timothy Wencewicz, químico de la Universidad de Washington en St. Louis que se especializa en diseño de antibióticos.
"Menos del 1 por ciento de ellos se ha considerado alguna vez como un posible candidato clínico. Languidecen porque se necesita mucho tiempo y cuidado para preparar una molécula para su uso como producto farmacéutico.
Wencewicz eligió cuidadosamente una de estas moléculas, la obafluorina, para un estudio adicional. La oblafluorina, descubierta en 1984 por el Instituto Squibb, está fabricada por una cepa fluorescente de bacterias del suelo que forma biopelículas en las raíces de las plantas.
Al igual que la penicilina, la obafluorina tiene un anillo de cuatro miembros. Un anillo de cuatro miembros ejerce presión sobre los ángulos de enlace que el carbono prefiere adoptar, explica Wencewicz. "La tensión convierte estos anillos en bombas moleculares que estallan cuando se colocan enel lugar correcto en el momento correcto, lo cual es útil para matar microbios ", dijo.
Pero debido a que un anillo de cuatro miembros es inestable, estas moléculas también son de corta duración y difíciles de fabricar. Los químicos tardaron años en aprender a sintetizar la penicilina a partir de productos químicos y luego averiguar cómo la producen los hongos. El antibiótico todavía eshecho fermentando una cepa de hongo que exuda penicilina en cubas gigantes de acero inoxidable.
El laboratorio de Wencewicz pudo adelantar todo el proceso, utilizando la genética para concentrarse en la maquinaria biosintética que usan las bacterias para producir obafluorina y luego reconstruir ese proceso de múltiples pasos catalizado por enzimas en el laboratorio.
Wencewicz, los estudiantes de posgrado Mars Reck y Jason Schaffer y el estudiante de pregrado Neha Prasad describen la maquinaria biosintética completa para el ensamblaje de la ß-lactona obafluorina en la edición del 15 de mayo de Biología química de la naturaleza .
Las ß-lactonas inhiben una gran clase de enzimas llamadas serina hidrolasas. "Hay cientos de serina hidrolasas conocidas y están implicadas en muchas enfermedades humanas", dijo Wencewicz. Las ß-lactonas pueden resultar útiles en el tratamiento decáncer y obesidad, así como enfermedades infecciosas.
Un camino oscuro sacado a la luz
La obafluorina es un péptido, una cadena corta de aminoácidos enlazados. La mayoría de los péptidos son producidos por una máquina celular llamada ribosoma, que produce una variedad de péptidos. Sin embargo, la obafluorina no es ensamblada por el ribosoma sino por un péptido no ribosómicosintetasa NRPS, una enzima de múltiples partes que sintetiza solo un tipo de péptido.
Los ribosomas producen péptidos largos llamados proteínas que son cruciales para la vida, dijo Wencewicz. Los ribosomas han evolucionado durante millones de años para ser increíblemente eficientes y precisos, agregó, pero usan un conjunto limitado de bloques de construcción de aminoácidos.
Los antibióticos y otros metabolitos secundarios que son útiles pero no esenciales para la vida se ensamblan más o menos a pedido por las líneas de ensamblaje de NRPS. Estos NRPS pueden unir miles de bloques de construcción de aminoácidos diferentes para formar pequeños péptidos estructuralmente diversos con una importante actividad biológica..
Los NRPS son esencialmente una serie de enzimas unidas en una proteína grande con muchos dominios, cada uno de los cuales lleva a cabo un paso en el ensamblaje de péptidos. "Son más bien como líneas de ensamblaje de Henry Ford", dijo Wencewicz.
El laboratorio de Wencewicz identificó el grupo de genes en Pseudomonas fluorescente que produce el NRPS y las cinco enzimas codificadas por los genes.
La quinta enzima resultó ser particularmente interesante. Es una tioesterasa inusual responsable de la formación del anillo ß-lactona cuando el péptido se libera del NRPS. A diferencia de otras enzimas tioesterasa, la obafluorin tioesterasa incluye un aminoácido catalítico raro que genera unaintermedio de tioéster reactivo. Esta química inusual permite que el NRPS supere la barrera de energía que de otra manera previene la formación de un anillo deformado.
Muchos más anillos por venir
"Ahora tenemos una plataforma enzimática completa para hacer péptidos de ß-lactona a partir de materiales de partida simples", dijo Wencewicz. "Dado que conocemos las secuencias de genes que codifican esta línea de ensamblaje, estamos usando el poder de la secuenciación del genoma moderno para buscarpara producir nuevas ß-lactonas producidas por otros organismos ".
Cualquiera que esté familiarizado con la larga y frustrante batalla para producir suficiente penicilina para ayudar a los soldados heridos durante la Segunda Guerra Mundial solo puede maravillarse con los impresionantes avances en genética y química que han permitido que el laboratorio de Wencewicz colapsara el trabajo de muchas décadas en unos pocos años.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington en St. Louis . Original escrito por Diana Lutz. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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