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大自然為師 解鎖酵素StnK3翻轉生物合成路徑

自癒力是一種生物的本能,觀察天然界中生物自我療癒的過程,我們發現生物體中存在著許多具有生物活性的物質,可以抑菌抗發炎、抗腫瘤抗癌,並與免疫調節功能息息相關。

從天然界中尋求生物活性物質,並且從它千變萬化的化學結構中,找出具有活性的化學實體,為新藥研究提供新穎的先導化合物,成為另一帖迎戰致病菌抗藥性問題的良方。

中研院基因體研究中心副主任李宗璘老師帶領的研究團隊發現,在天然物的重要組成單元β-甲基氨基酸的生成過程中,酵素StnK3掌理合成過程中的立體選擇性,調整此一酵素,即可控制鏡像異構物的立體轉化,藉由結構上的改變,就有潛力發展出新一代活性物質。這項成果發表在最新一期的ACS Catalysis期刊。

萬物依循著大自然的規律,生生不息,這其中的奧祕牽引著李宗璘老師的研究團隊,持續從大自然中尋找靈感,鑽研解構生物催化劑的催化機制。

生物體中的活性物質,通常是由小分子化合物如脂肪酸、單糖、氨基酸等作為起始原料,在酵素的協助之下,經由一系列的化學反應組裝而成。β-甲基氨基酸就是其中一個鮮活例子。

研究團隊選用β-MeInPy建立研究模型,解析酵素在生合成過程中扮演的角色,進而推演出反應進行的途徑。研究結果發現,酵素StnK3是一個鐵離子依賴型的異構酶,催化反應進行時,鐵離子會被拱在中心點,用來改變β-MeInPy的立體結構,即將(3R)-β-MeInPy翻轉成另一個彷彿手掌對稱的異構物(3S)-β-MeInPy。

研究人員分離出StnK3酵素,從晶體結構觀察到,(3S/R)-β-MeInPy上的α-酮酸會在兩種異構物之間互變,形成具有兩個配位基的烯醇螯合體,並與處於活化位置的鐵離子形成雙四角錐體,這種特殊的幾何形狀,可以一邊辨識基質(3R)-β-MeInPy,一邊啟動路易士酸導入烯醇化(enolization),催動異構化發生。

異構化的進行可以從溶液的顏色變化得到證實,過程中,參與催化過程的鐵離子因為配位數不同,顏色也會從海洋藍轉換成淡橘色。

 

 2022Stnk3 F1
StnK3異構物顏色的變化,代表了每個配位基與金屬粒子之間連接的強度與方向

 

研究人員從鐵離子的配位數推敲出歷程:中間體的構造從雙四角錐體變成雙三角體,讓其中一邊脫去的質子,可以從另一側逆向重新接上質子,產生翻轉的異構物(3S)-β-MeInPy。這個質子化的逆向反應,是由質子的內部回歸達成的。

「這種以酵素調節鏡像異構化,由雙鹼基主導的反應機制,前所未見。」李宗璘老師表示。一般而言,內部質子的回歸,通常只會在單鹼基催化機制上發生,研究團隊發現的雙鹼基機制,只有在非常巧妙的協調狀態中才有可能發生,是從未被發掘的“隱藏版”雙鹼基機制。

此外,StnK3表現出了一種意料之外的「事前校正」活性,它會將上游未成熟的基質indolepyruvate,經由逆醛醇縮合(retro-aldol reaction)反應,分裂成吲哚醛(indole aldehyde)和乙醇酸(glycolic acid),從而避免無謂的循環,將反應效率投注在完成最終產物。這如同生化反應的「附帶保險」,與綠化學所提倡的將反應的效率達到最高,損耗降到最少的宗旨不謀而合。

 

2022Stnk3 F2

 

李宗璘老師說明,StnK3可從異構酶升級成為全功能的逆醛縮酶,還具有另一項指標意義。StnK3帶來的逆醛醇縮合反應,可以打破相當穩定的碳與碳之間的鍵結,運用這項能力,搭配正逆向反應,就可以連結上不同的官能基,進行更多組成區塊的排列組合,拓展天然物結構的多樣性。

這次的研究不僅有助於破解立體和鏡像選擇性的實驗操作方式,而且可以幫助設計用於生物合成或藥用化學的新生物催化劑。透過催化劑的設計與活性調控,可為新藥開發提供有潛力的先導化合物。

李宗璘老師表示,不再執著於人定勝天,師法自然,從自然中學習,同樣有機會發掘出更好的生物合成方式,為新藥發現另闢一條蹊徑。

論文全文:(Structural and Mechanistic Bases for StnK3 and Its Mutant-Mediated Lewis-Acid-Dependent Epimerization and Retro-Aldol Reactions),網址:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c04790

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