Nature：首次发现将硒整入到微生物小分子中的生物合成途径

在一项新的研究中，来自美国普林斯顿大学的研究人员发现了一条将硒整入微生物小分子中的生物合成途径，标志着这种原子首次在天然产物中被发现，这就为硒生物学开辟了新的途径。这一发现还强烈地表明，硒是所有生命王国中的一种重要的微量元素，它在细菌中的生物作用可能比科学家们最初假设的更重要。相关研究结果于2022年9月7日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Biosynthesis of selenium-containing small molecules in diverse microorganisms”。论文通讯作者为普林斯顿大学化学系教授Mohammad Seyedsayamdost博士。

论文第一作者、Seyedsayamdost实验室研究生Chase Kayrouz说，“这是一个封闭的领域。20年来，没有人发现硒代谢的新途径。含硒蛋白（selenoprotein）和含硒核酸（selenonucleic acid）的生物合成是在20世纪80年代和90年代被阐明的。从那时起，人们就认为这些是微生物利用硒做的唯一事情。我们只是想知道它们是否会将硒纳入其他小分子中？结果发现，它们确实如此。”

Seyedsayamdost说，他们的“研究表明，自然界确实已经进化出将这种元素整合到小分子、糖类和次级代谢物中的途径。硒具有显著的特性，与生物大分子中发现的任何其他元素不同。例如，含硒抗氧化剂麦角硒因（selenoneine）成为一种比这种分子的硫代版本更好的抗氧化剂。但是，虽然硫在生物大分子中无处不在，但硒的出现却要稀少得多，而且被认为仅限于生物聚合物”。

Seyedsayamdost说，“大自然已经进化出了将硫或硒整合到天然产物中的特异性机制，从而通过各自特有的途径来利用这两种元素的独特特性。”

寻找硒

该实验室开始他们的研究时假设，硒原子应该存在于天然产物中，因为它在其他地方的利用是无处不在的。他们问，这样的特征在微生物基因组中会是什么样子？

Kayrouz说，“你如何真正发现一种新的药物或天然产物或硒代谢物在哪里，你如何找到它？我们通常寻找生物合成基因簇---染色体上编码这类分子的生物合成的一组基因。因此，如果我们有一条制造含硒化合物的途径，它必须由基因编码。”

他们实施了一种基因组发掘策略，寻找在selD旁边发现的基因，因为selD编码了细胞内所有已知硒过程的第一步。很快，他们发现了一个与selD共同定位的基因---senB--引起了他们的注意，特别是因为它之前没有涉及硒代谢。通过进一步的研究，他们发现了第三个共同定位的基因，称为senA。Kayrouz推测，这三个基因可能参与了一个新的硒生物合成途径。

图中显示了将硒整入到微生物小分子中的生物合成途径，图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05174-2。

Seyedsayamdost说，“首先，我们确定了整入硒的生物合成基因簇会是什么样子。然后我们使用生物信息学来寻找这样的基因，并在不同的微生物基因组中确定了我们现在称之为‘sen基因簇’的基因。”

他们能够在大肠杆菌中表达这些新基因中的每一个，从而在试管中组装出整个途径。这揭示了两种含硒小分子---一种含硒糖分子（selenosugar）和一种叫做麦角硒因的含硒分子---的产生。它还揭示了两种形成碳-硒键的酶，这是第一批作用于生物小分子的此类酶。

Kayrouz说，“微生物将硒整入到这些化合物中是有原因的，所以一定有一些有趣的生物活性与它们相关。我们还不知道这是什么，但这是非常令人兴奋的。作为生物化学家，这样的发现是我们每天醒来的原因。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Chase M. Kayrouz et al. Biosynthesis of selenium-containing small molecules in diverse microorganisms. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05174-2.

2. Chemists reveal first pathway for selenium insertion into natural products
https://phys.org/news/2022-09-chemists-reveal-pathway-selenium-insertion.html