О том, что природа прекрасный химик, свидетельствует обилие молекул, так называемых натуральных продуктов, которые она производит путем биосинтеза. Эти натуральные продукты также имеют центральное значение для нас, людей. Они по-разному используются в нашей повседневной жизни, особенно в качестве активных агентов в медицине и сельском хозяйстве. Яркими примерами являются антибиотики, такие как пеницилины, выделенные из плесени, противораковый препарат таксол из тихоокеанского тиса и пиретрин, содержащийся в хризантемах, которые используются для борьбы с нашествием вредителей.

Знание и понимание биосинтетической сборки таких соединений в природе необходимо для разработки и производства лекарств на основе таких соединений. В связи с этим исследователи из групп профессора Тобиаса Гулдера (Технический университет Дрездена) и профессора Тани Гульдер (Лейпцигский университет) совместно исследовали биосинтез цианобактерина, высокотоксичного для фотосинтезирующих организмов и продуцируемого в небольших количествах в природе цианобактерии Scytonema hofmanni. В своей работе (био)химики смогли не только впервые объяснить биосинтез природного продукта, но также открыли новое ферментативное превращение для образования углерод-углеродных связей.

Эта работа стала возможной благодаря объединению современных инструментов биоинформатики, синтетической биологии , энзимологии и (био)химической аналитики. Основное внимание уделялось тому, как образуется центральная часть углеродного скелета цианобактерина. Предполагаемые гены для этого были сначала клонированы методом «клонирования прямого пути» (DiPaC), а затем активированы в модельном организме E. coli как клеточной фабрике.

DiPaC — это новый метод синтетической биологии, ранее разработанный в лаборатории Тобиаса Гулдера, профессора технической биохимии Технического университета Дрездена. «DiPaC позволяет нам очень быстро и эффективно переносить все пути биосинтеза натуральных продуктов в рекомбинантные системы-хозяева», — объясняет Тобиас Гулдер.

На следующем этапе исследовательская группа проанализировала основные отдельные этапы биосинтеза цианобактерина, дополнительно производя все ключевые ферменты в организме-хозяине E.coli, изолируя их, а затем исследуя функцию каждого фермента. В процессе они столкнулись с ранее неизвестным классом ферментов, называемых фуранолидсинтазами. Они способны катализировать образование углерод-углеродных связей по необычному механизму. Дальнейшие исследования этих фуранолидсинтаз показали, что эти ферменты являются эффективными биокатализаторами in vitro, что делает их очень привлекательными для биотехнологических приложений.

«Благодаря фуранолидсинтазам мы получили ферментативный инструмент, который позволит нам в будущем разработать более экологически безопасные методы производства биоактивных соединений и, таким образом, внести значительный вклад в более устойчивую химию», — объясняет профессор Таня Гулдер из Институт органической химии Лейпцигского университета.

Затем две исследовательские группы хотят специально искать эти новые биокатализаторы и в других организмах и, таким образом, находить новых биологически активных членов этого класса натуральных продуктов, а также разрабатывать методы биотехнологического производства и структурной диверсификации цианобактерина. «Наша работа прокладывает путь к всесторонней разработке захватывающего класса натуральных продуктов для применения в медицине и сельском хозяйстве», — соглашаются два ученых.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Chemical Biology.