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Pesquisadores do Departamento de Química da Universidade de Princeton descobriram um novo caminho de várias etapas através do qual bactérias encontradas no intestino de mamíferos produzem peptídeos antimicrobianos.
A via biossintética recém-identificada transforma um peptídeo biologicamente inerte em antibióticos estruturalmente complexos, que eles chamam de enteropeptinas. As enteropeptinas são uma classe de produtos naturais peptídicos sintetizados ribossomicamente, referidos como RiPPs.
A estrutura central desses produtos é sintetizada pelo ribossomo, que se limita aos 20 aminoácidos canônicos. O Mo Lab descobriu e caracterizou novas metaloenzimas capazes de converter a arginina, um aminoácido canônico, em N-metilornitina, um aminoácido não canônico, dentro da enteropeptina.
Este é o primeiro relato de um produto natural RiPP contendo este aminoácido incomum. A descoberta foi feita pelo laboratório do professor Mohammad Seyedsayamdost.
O artigo do laboratório, “Descoberta guiada pela biossíntese revela enteropeptinas como sactipeptídeos alternativos contendo N-metilornitina”, foi publicado no mês passado na Química da Natureza.
Kenzie Clark, primeira autora do artigo e ex-aluna de pós-graduação do Mo Lab, explicou as principais descobertas.
“A maneira como essa via funciona é que o ribossomo produz um peptídeo precursor, que é então influenciado por metaloenzimas codificadas no mesmo agrupamento de genes”, disse Clark. “A série de metaloenzimas – neste caso, eram três delas – convertem a arginina em N-metilornitina em etapas para gerar enteropeptina.
“O interessante é que o peptídeo por si só não apresenta nenhuma atividade biológica. Mas uma vez que você adiciona essas modificações, ele se torna essa biomolécula ativa que inibe de forma potente o crescimento da cepa produtora.”
Brett Covington, pesquisador de pós-doutorado no laboratório e coautor do artigo, ponderou sobre essa descoberta.
“Essa é uma tendência que estamos vendo com muitos desses produtos RiPP que descobrimos: eles têm atividade de espectro muito estreito e tendem a inibir o crescimento do organismo que está produzindo o composto”, disse ele. “Esse foi o caso aqui com a enteropeptina. Ela realmente apenas inibiu o Enterococcus que produziu enteropeptina. por que esses enterococos fazer um peptídeo antibiótico para inibir seu próprio crescimento é uma questão que estamos perseguindo. Eles provavelmente estão envolvidos na geração de uma população bacteriana mais recalcitrante”.
Trabalhando através de clusters de genes
A pesquisa se encaixa perfeitamente na missão do Mo Lab, que busca descobrir novos produtos naturais bacterianos e entender como esses produtos são biossintetizados.
Em 2018, o Mo Lab publicou um artigo no Jornal da Sociedade Química Americana (JACS), no qual eles usaram bioinformática para descobrir 600 clusters de genes RiPP de estreptococos que utilizam enzimas radicais S-adenosilmetionina (rSAM), uma das maiores famílias conhecidas de enzimas da natureza. Embora seja um grupo enorme com mais de 500.000 membros e seja encontrado em todos os três reinos da vida, a maioria dessas enzimas não é bem compreendida.
O laboratório agrupou seus 600 clusters de genes RiPP recém-descobertos em 16 subfamílias com base em sequências de peptídeos precursores semelhantes. Eles começaram a trabalhar com essas famílias no laboratório, descobrindo novas reações e uma química interessante ao longo do caminho.
“É uma nova abordagem para a descoberta de produtos naturais, pois você começa com o cluster de genes biossintéticos e depois faz uma análise aprofundada da reação de cada enzima para entender todas as diferentes transformações que estão acontecendo”, disse Covington. “Em seguida, procuramos no hospedeiro bacteriano o produto maduro, que incorpora todas essas diferentes transformações enzimáticas. É uma abordagem única.”
Até agora, eles trabalharam apenas com clusters que codificam uma única metaloenzima. Este último trabalho tem como alvo vias de várias etapas com químicas mais complexas que não têm apenas uma reação interessante, mas três catalisadas por três classes diferentes de metaloenzimas. Dois são dependentes de ferro e um é dependente de manganês.
“Um desses metaloenímas gera um intermediário muito reativo que é capaz de realizar reações químicas realmente desafiadoras, por exemplo, a formação de ligações carbono-carbono em centros de carbono não ativados”, disse Clark. “Muitas das estruturas que eles geram seriam muito desafiadoras para os químicos sintéticos.
“Mas o que também é interessante foi a terceira enzima na via. Ela não foi anotada como uma família de enzimas conhecida. Ela acabou usando um aglomerado de quatro ferros e quatro enxofres e o cofator SAM para N-metilato de ornitina, uma reação de modificação nova e realmente interessante.”
Covington acrescentou: “Essa é uma das coisas de que mais gosto em trabalhar aqui no laboratório de Mo, a emoção que você sente quando finalmente descobre um desses produtos. Todo o trabalho é feito na bancada para entender a reação no tubo de ensaio, e então é muito gratificante quando você vê que combina com o que está acontecendo dentro da bactéria real.”
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