土壤细菌作为生产药物成分的生物催化剂

来自波鸿和莱比锡的研究人员已经成功地使用土壤细菌专门生产前药。这一步的关键是对吲哚代谢的详细了解。天然化合物首先在微生物中被激活。为此，他们需要一种单加氧酶，其分子结构已首次被阐明。

这些发现为各种活性药物成分的生物催化开辟了可能性。由波鸿鲁尔大学的Dirk Tischler教授和莱比锡大学的Norbert Sträter教授领导的两个团队于10年2023月<>日在Angewandte Chemie International Edition杂志上报告了他们的发现。

油菜籽田里闻到吲哚的味道

吲哚是一种天然存在的化合物，其典型气味为油菜籽田的许多人所熟知。各种微生物代谢这种化合物，但必须首先激活它，这是在所谓的吲哚单加氧酶的帮助下发生的。该酶可以在辅因子的参与下与分子大气氧结合，并可用于吲哚的选择性环氧化反应。这会产生一种高反应性的环氧化物，然后可以将其引入新陈代谢。

“这类单加氧酶的特别之处在于，到目前为止，还不可能与底物和辅因子结合解开它们的分子结构，”Dirk Tischler说。“我们现在终于做到了。”

这开辟了使用这些单加氧酶对活性药物成分进行更可持续的生物催化的可能性，因为吲哚单加氧酶和苯乙烯单加氧酶形成所谓的黄素蛋白单加氧酶的亚组，其可以以高度选择性的方式氧合双键或硫原子。研究人员将其称为环氧化和磺氧化。根据底物的不同，这两种酶类型还可以催化所谓的手性反应，在此期间，仅产生所需的产物而没有任何不需要的副产物。

“这在活性药物成分的制造过程中尤其重要，因为分子及其不需要的双胞胎会产生非常不同的效果，”Dirk Tischler解释说。由于不会产生副产物并且反应在温和的条件下进行，因此生物催化被认为是特别可持续的。

基因变化产生高效的生物催化剂

研究人员还能够将吲哚环氧化的见解转移到其他化合物，包括茚。后者在结构上与吲哚非常相似。“如果你能选择性地环氧茚，你就开辟了生产抗HIV蛋白酶活性成分的道路，”Tischler说。“然而，到目前为止，我们缺乏结构和机制细节来获得吲哚单加氧酶来有效催化这种反应。

在目前的工作中，研究小组设法从土壤细菌Variovorax paradoxus EPS中解开环氧化酶亚基IndA1的结构，并通过特定的遗传变化显着提高了环氧化的效率。野生型蛋白质仅产生35%的纯茚氧化物，而突变体产生超过99%的纯度。以这种方式产生的1S，2R-茚氧化物可用作HIV蛋白酶抑制剂的前体。

“这表明了分子理解蛋白质结构对生物催化的重要性，以及定向进化对应用研究的可能性，”Dirk Tischler说。