Nature：揭示自由基SAM酶TokK的三维结构，有助于构建更有效的碳青霉烯类抗生素

2022年2月6日讯/生物谷BIOON/---一类叫做碳青霉烯类抗生素（carbapenems）的强效抗生素可以绕过抗生素耐药性，这要归功于其结构中特定的原子链。如今，在一项新的研究中，来自美国宾夕法尼亚州立大学和约翰霍普金斯大学的研究人员对参与构建这种原子链的一种酶进行了成像，以便更好地了解它是如何形成的---也许可以重现这个过程来改进未来的抗生素。相关研究结果于2022年2月2日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Structure of a B12-dependent radical SAM enzyme in carbapenem biosynthesis”。

碳青霉烯类抗生素是天然存在的强效、广谱抗生素，与青霉素都属于β-内酰胺类抗生素。碳青霉烯类抗生素经常被用作治疗细菌感染的最后手段，包括医院获得性和呼吸机相关的细菌性肺炎---在COVID-19大流行期间，这个问题越来越严重。某些碳青霉烯类抗生素的侧链包括两个或三个甲基，这有助于它们抵抗抗生素耐药性。

论文共同通讯作者、宾夕法尼亚州立大学生物化学家Squire Booker说，“在许多情况下，细菌可以通过降解β-内酰胺类抗生素中称为‘β-内酰胺环’的结构来进化出对这类抗生素的耐药性，这使它们失去了效力。但是这种侧链中甲基的加入阻止了这种降解，使得碳青霉烯类抗生素成为强大的临床工具。在这项新的研究中，我们对一种促进了这种侧链合成的叫做TokK的蛋白进行了成像，以便重建这一过程中的最初化学步骤。”

根据一项新的研究，图中所示的TokK酶可以帮助合成一个甲基链，使得碳青霉烯类抗生素能够规避抗生素耐药性。图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-021-04392-4。

TokK是一种自由基SAM（S-腺苷蛋氨酸）酶，参与甲基化过程。在这种情况下，TokK帮助促进向碳青霉烯类抗生素添加三个甲基，构建在这种抗生素中起着至关重要作用的侧链。

这些作者发现像大多数自由基SAM酶一样，TokK首先使用它的一个铁硫簇将一个SAM分子转化为一个“自由基”，从而推动反应的进行。随后，该自由基从这种正在构建的抗生素中获取一个氢原子。然后，TokK将它的一个称为甲基钴胺素（methyl-cobalamin）的结构的一部分中的一个甲基转移到这种抗生素上这个氢原子被移除的空缺处。这个甲基化过程重复了三次，最终产生了这个带有三个甲基的侧链。

论文共同第一作者、宾夕法尼亚州立大学研究生Hayley Knox说，“TokK在这个过程中起着类似支架的作用，将甲基钴胺素、一个SAM分子和这种抗生素聚集到一个理想的位置，以便进行甲基转移。第二个甲基实际上比我们根据能量学所预期的要快得多。我们认为，这是因为这些成分在第一步中就已排列得很好了。”

钴胺素，也被称为维生素B12，有助于促进多种酶驱动的反应。然而，这种类型的“自由基化学”在已知的钴胺素参与的反应中并不常见，这表明钴胺素可能在许多反应中发挥了与预期不同的作用。

Booker说，“通常情况下，我们认为甲基钴胺素参与了我们所说的‘极性化学’，而不是‘自由基化学’。但是在这项研究中，我们发现，TokK，以及我们认为许多其他依赖钴胺素的自由基SAM酶，都使用自由基化学。事实证明，钴胺素的用途比我们以前所认识到的要多得多。”

对碳青霉烯类抗生素中的侧链是如何产生的这一改进的理解可能为如何重现这一过程和潜在地改进这类抗生素提供重要的新见解。

论文共同通讯作者、约翰霍普金斯大学化学系教授Craig Townsend说，“尽管不是史无前例的，一种激进的SAM酶的多重甲基化是不寻常的，并且在自然界中构建出一个碳青霉烯类抗生素核心的二碳和三碳变体‘文库’。添加两个甲基可能是抗生素活性的最佳选择，但人们不禁要问，对TokK进行工程设计以纳入四个或更多这样的基团，是否能在与细菌抗生素耐药性的斗争中获得进一步的改善。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Hayley L. Knox et al. Structure of a B12-dependent radical SAM enzyme in carbapenem biosynthesis. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-021-04392-4.