两篇Science探究天然抗生素装配线的工作之谜

2021年11月10日讯/生物谷BIOON/---每个细胞都是制造大师，能够一次又一次地制造出有用的、结构复杂的分子，而且错误少得令人吃惊。科学家们渴望复制这一壮举，建立他们自己的分子工厂，但首先他们需要了解它。

红霉素化学结构式。

斯坦福大学化学家Chaitan Khosla实验室的博士后学者Dillon Cogan说，“我们在自然界中有成千上万条这样的装配线，它们都能制造出独特的化合物。我们的梦想是有一天能够将不同装配线上的零件重新组合起来，这样我们就能制造出自然界中没有的有用化合物。要做到这一点，我们需要知道让这一切发挥作用的设计原则。”

如今，来自美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学、德克萨斯大学埃尔帕索分校和康乃尔大学的研究人员在两项新的研究中揭示了更多关于两条这样的装配线如何保持精确控制。相关研究结果发表在2021年11月5日的Science期刊上，论文标题分别为“Mapping the catalytic conformations of an assembly-line polyketide synthase module”和“Modular polyketide synthase contains two reaction chambers that operate asynchronously”。

利用现有的一些最复杂的结构生物学技术，这些作者更多地了解了这些分子制造装配线如何保持其精确控制。他们揭示了两条这样的装配线如何在构建过程中推动生长中的分子的新细节。

这两项新研究中有关的复杂分子被称为聚酮类化合物（polyketide），包括他汀类药物和红霉素等抗生素。虽然细胞利用称为合酶的装配线轻松地合成聚酮类化合物，但它们的化学复杂性意味着化学们家在实验室中需要付出巨大的努力来构建它们。

每个合酶可以包含几十个催化结构域，这些催化结构域是装配线上的化学站，它们为不断生长的分子链添加零件并进行修改。

阻止分子摆动

在第一项新的研究中，Khosla、Cogan及其同事们专注于一个产生抗生素红霉素的装配线上的一个模块。他们希望看到这个分子有许多不同的形状，每一种形状都对应着这个装配线过程中的一个阶段。为此，他们求助斯坦福大学教授Wah Chiu。Chiu是低温电镜（cryo-EM）方面的专家，这种技术可以对原地冻存的摆动分子进行成像，使人们能够同时看到它们的许多不同形式。

Chiu立刻产生了兴趣。Chiu说，“这些是非常复杂的分子机器。有这么多组件必须在正确的地点和正确的时间，以高度协调的方式组合在一起。”

Cogan与Chiu团队的前博士后学者Kaiming Zhang合作，利用斯坦福-SLAC低温电镜设施（Stanford-SLAC Cryo-Electron Microscopy facility）研究他们的装配线模块。

经过多年的研究工作，他们窥见了一些意想不到的东西。每个模块都是由成对的酶组成的，其中的一对是两个从侧面延伸出来的分子手臂。这些手臂被认为在姿势上是相互映衬的。但是在Zhang和Cogan检查的模块中，一个手臂向外延伸，而另一个手臂则向下弯曲。他们很快意识到，他们所观察到的结构实际上是模块在运作。

这个弯曲的手臂似乎像一个旋转门的手臂一样运作，让进入的分子等待，直到模块释放它正在处理的分子。这个弯曲的手臂所积蓄的能量也可能有助于将分子推进到装配线的下一个阶段。

X射线和低温电镜一起工作

在第二项新的研究中，德克萨斯大学埃尔帕索分校的化学家Chu-Young Kim、SLAC科学家Irimpan Mathews和康奈尔大学的Christopher Fromme探究了负责合成拉沙里菌素A（lasalocid A）的装配线分子之一，其中拉沙里菌素A是一种由拉氏链霉菌（Streptomyces lasalocidi）产生的分子，被用作兽用抗生素。

与Khosla实验室开展的第一项研究一样，Kim及其同事们希望更好地了解这种细菌的装配线是如何工作的，以便利用经过基因改造的合酶制造新的药物。

但是Mathews说，获得称为Lsd14的装配线模块的高分辨率图片一直是一个重大挑战。Lsd14非常大，沿着装配线模块有8个不同的位置。这使得它在科学家们能够研究它之前，相对容易发生分解。它的尺寸和灵活性也使得用X射线晶体学进行高分辨率研究特别困难，因为它很难结晶。

Mathews和Kim实验室的研究生Saket Bagde在2017年加入了这项工作，并从那时起一直在努力克服这些挑战和更多问题。最后，他们在三个设施进行了X射线研究，并利用SLAC的斯坦福同步辐射光源（SSRL）的五条不同光束线，收集了足够好的数据来得出结论。 这些结果让人感到惊讶。Kim说，当第一次发现时，科学家们曾认为Lsd14和其他此类模块看起来像一条柔软的绳子上的一系列珠子，而且正在构建的分子在构建过程时沿着这个结构跳动。

Kim说，“情况完全不是这样的。相反，X射线晶体学显示Lsd14是一种精心设计的、高度组织化和紧凑的蛋白。这就是为什么以前对该蛋白进行基因改造的尝试经常失败。”

为了加强他们的研究结果，他们还在康奈尔大学进行了低温电镜研究，以了解Lsd14在其组装过程的不同阶段是什么样子，因为之前已证实Lsd14在组装过程中的不同阶段对结晶的抵抗力太强，无法用X射线进行研究。这些研究显示Lsd14有不同的形状。将这两种技术结合起来，产生了之前可能无法获得的信息。Mathews说“我们的研究工作是一个完美的例子，说明X射线晶体学和低温电镜如何产生互补的结构信息。”

Kim说，两个不同的实验室在类似的分子上有类似的结果，这就支持了这一观点，即这些结果也可能扩展到其他装配线分子。尽管如此，在科学家们能够以最明智的方式开始设计自己的分子装配线之前，还有很多研究工作要做。首先，这些团队还没有研究过合成红霉素或拉沙里菌素A的整个组装过程。Kim说，他们需要更多地了解这些过程，“但这是一个好的开始”。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Dillon P. Cogan et al. Mapping the catalytic conformations of an assembly-line polyketide synthase module. Science, 2021, doi:10.1126/science.abi8358.

Saket R. Bagde et al. Modular polyketide synthase contains two reaction chambers that operate asynchronously. Science, 2021, doi:10.1126/science.abi8532.