研究人员简化了分子组装线来设计、测试药物化合物
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北卡罗莱纳州立大学的研究人员发现了一种通过工程生物合成来微调分子组装线的方法。这项工作可以让科学家快速有效地改进现有的抗生素，并设计新的候选药物。
像大肠杆菌这样的细菌利用生物合成来制造人工合成困难的分子。
“我们已经用细菌为我们制造了许多药物，”爱德华·卡尔克罗伊特(Edward Kalkreuter)说，他曾是北卡罗来纳州大学的研究生，也是一篇描述该研究的论文的主要作者。“但我们也想对这些化合物做出改变;例如，有很多对红霉素的耐药性。我们的总体目标是能够制造出具有类似活性但能提高抗耐药性功效的分子。”
想象一条汽车装配线:在装配线上的每一站都有一个机器人，它会选择汽车的某一部分，并将其添加到整个装配线上。现在用红霉素代替汽车，用酰基转移酶(AT)——一种酶——作为机器人在流水线上的位置。每个AT“机器人”将选择一个化学块，或扩展单元，添加到分子中。在每个工位上，At机器人都有430个氨基酸残基，这些氨基酸残基帮助它选择添加哪一个扩展器单元。
“不同类型的扩展剂单元影响分子的活性，”Gavin Williams说，他是北卡罗来纳州LORD公司的杰出学者和该研究的通讯作者，化学教授。“确定影响扩展剂单元选择的残基是一种产生我们想要的活性分子的方法。”
该团队使用分子动态模拟来检查AT残基，并确定了10个显著影响扩展剂单元选择的残基。然后，他们进行了质谱分析和体外测试，以确定这些残基改变的AT酶的活性也发生了变化。结果支持了计算机模拟的预测。
Kalkreuter说:“这些模拟通过展示酶如何随时间移动来预测我们可以改变酶的哪些部分。”“一般来说，人们看到的是酶的静态、不移动的结构。这使得很难预测它们的作用，因为酶在自然界不是静态的。在这项工作之前，很少有人认为或知道会影响扩压装置的选择。”
Williams补充说，在生物合成流水线的重新编程中，操纵残留物可以实现更高的精度。
威廉姆斯说:“以前，想要改变抗生素结构的研究人员只需要更换整个AT酶。”“这相当于把整个机器人从装配线上移除。通过关注残留物，我们只是替换了手臂上的手指——就像重新编程工作站，而不是移除它。它允许更高的精度。
“使用这些计算模拟来确定替换哪些残留物，是使用细菌生物合成药物的研究人员工具箱中的另一个工具。”
该作品出现在自然通讯由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health, GM104258和GM118101)资助。卡尔克罗伊特目前就职于斯克里普斯研究所。前北卡罗来纳大学本科生凯尔·宾厄姆和亚伦·基勒，以及密歇根大学的安德鲁·洛厄尔、詹妮弗·施密特和大卫·谢尔曼也对这项工作做出了贡献。
皮克-
编辑报告:论文摘要如下。
计算导向的聚酮合成酶酰基转移酶底物选择性基序交换
DOI:10.1038 / s41467 - 021 - 22497 - 2
作者: Edward Kalkreuter, Kyle S Bingham, Aaron M Keeler, Gavin Williams，北卡罗莱纳州立大学;Andrew N Lowell, Jennifer J. Schmidt, David H Sherman，密歇根大学
发表: 2021年4月13日自然通讯
文摘:
聚酮是天然产物中最大的一类，通常与临床有关。设计聚酮生物合成以生产新型类似物的能力是至关重要的。模块化聚酮合酶的酰基转移酶(ATs)催化丙二酰辅酶a扩展剂安装到聚酮支架。随后，AT结构域被广泛地定位为位点选择性地将各种扩展剂引入聚酮中。然而，负责衬底选择的AT残留物的完整清单尚未建立，这严重限制了AT工程的效率和范围。在这里，利用分子动力学模拟对红霉素生物合成中EryAT6活性位点的50个突变进行了优先排序。在详细的体外研究之后，10个残基的13个突变被鉴定为显著影响扩展剂单位选择性，包括9个以前与AT特异性无关的残基。从MD研究和新的EryAT6突变中获得的独特见解，导致了AT活性位点中两个此前未探索的结构基元的识别。值得注意的是，将EryAT6中的两个基模与具有不同寻常扩增剂特异性的ATs中的基模交换，可使嵌合PKS模块具有扩增和倒置底物特异性。我们对AT衬底选择性和基序交换策略应用的深入了解，有望提高我们对PKSs的设计能力。
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