Nature：揭秘微生物药物生产流水线

日前，来自密歇根大学的研究人员获得了自然生成抗生素和其他药物的微生物内部“流水线”的第一张三维快照。了解这一分子工厂内部的完整结构和运动，为研究人员重新设计出微生物装配流水线来生成具有高医学价值的新药提供了一张坚实的蓝图。

在发表于6月18日《自然》（Nature）杂志上的两篇研究论文中，来自生命科学研究院的Georgios Skiniotis、David Sherman和Janet Smith以及化学系的Kristina Håkansson，描绘了在装配过程中生成聚酮化合物的一种关键酶的结构。聚酮化合物是一类广泛多样的生物活性化合物，其中包含广泛用于临床的一些最重要的抗生素、抗真菌药、癌症化疗药物和免疫调节剂。

“最终，了解聚酮化合物生成的细节可以让我们成功设计和操控一些系统，生成具有高药用价值的新产物，”两篇论文的通讯作者、结构生物学家Skiniotis说。

根据美国疾病控制和预防中心的统计，在美国每年至少有200万人感染抗生素耐药细菌，超过2.3万人因此丧命。用现有的抗生素无法成功治疗一些感染并发症导致了更多的死亡。

Sherman 说：“抗生素耐药的威胁在持续地增长，我们迫切需要新的药物。现在，我们可以看到这一机器的运作机制，我们可以了解以往尝试操控这些天然工厂来制造药物失败的原因，以及我们如何能够做的更好。”

“当前所使用的药物近三分之二为部分或完全来自于自然原料。然而微生物利用来生成这些药物的自然过程却一直是一个‘黑匣子’，”结构生物学家Smith说。

她说：“我们知道有一些东西进去，有一些东西生成，但我们却不知道里面发生了什么。现在我们知道了，获得这张关于微生物如何生成化合物的蓝图意味着：我们现在可以开始重新设计工厂来制造出生成新的更好的药物所需的化合物。”

这一聚酮合酶(PKS)来自一种陆生细菌：委内瑞拉链球菌（Streptomyces venezuelae）。这种链球菌能够生成广泛处方抗生素红霉素的前体——苦霉素（pikromycin）。发表在Nature论文中的这些结构描述了生成苦霉素的6轮生物装配流水线过程中第5轮的一些酶步骤。

加州大学圣地亚哥分校Pieter Dorrestein说：“数十年来科学界一直在等待揭示这一结构，该研究小组实现了这一壮举。”

“传统的方法无法系统地开发出新的化学实体，现在可以充分详细地了解这些系统使得合理的设计操控变为可能。这项研究工作是朝着实现这一目标的一个里程碑，”Dorrestein说。

结构并非科学家们所预期。

Smith 说：“让我们惊讶的是，一种叫做酰基载体蛋白（ACP）的微小蛋白，在PKS工厂中照顺序移动到了不同的位点，添加其他的化学元件——每一步都是由前一步它所获得的货物所决定。了解ACP的作用从根本上改变了我们对于整体结构和过程的理解。”

作为X-射线晶体学专家，Smith非常感兴趣，她说：“这些机器在完成如此酷的化学，它们时怎么做到的？是所有的部件一起协同运作吗？我真的想看看这些。”

这一研究工作起始于Sherman的实验室，这名生物有机化学和药物化学家从事微生物研究，其目的是寻找新的药物，他在上世纪90年代最初是研究微生物合成抗生素。

他说：“我对了解这些生成药物的分子机器感兴趣。有太多的模型被提出，存在的争论和分歧很多，但证据却很少。在这15年里，我们设法确定了这一不同寻常的生化装配线的一些基本生物化学特征，但直到现在我们仍无法抓住高分辨率特征。”

低温电子显微镜(cryo-EM)成像使研究发现成为可能，研究人员获得了构建化学终产物的ACP蛋白的完整结构，以及改变与运动的第一张图像。

“由于该酶的大小和灵活性，我们的期望很低。但是最终当我们阐明它时，我们能够看到ACP就像一个翻转的开关，”Skiniotis说。

原始出处：

Somnath Dutta,Jonathan R. Whicher,Douglas A. Hansen,Wendi A. Hale,Joseph A. Chemler,Grady R. Congdon,Alison R. H. Narayan,Kristina Håkansson,David H. Sherman,Janet L. Smith& Georgios Skiniotis. Structure of a modular polyketide synthase. Nature, 18 June 2014;

Jonathan R. Whicher,Somnath Dutta,Douglas A. Hansen,Wendi A. Hale,Joseph A. Chemler,Annie M. Dosey,Alison R. H. Narayan,Kristina Håkansson,David H. Sherman,Janet L. Smith& Georgios Skiniotis. Structural rearrangements of a polyketide synthase module during its catalytic cycle. Nature, 18 June 2014;