Güçlü X ışınları, kanser ve penisilin ile bağlantılı enzimlerde suyun beklenmedik rollerini ortaya koyuyor

Biyolojide, 2-oksoglutarata bağımlı oksijenazlar olarak adlandırılan bir grup enzim, genetik kodun hücreler tarafından nasıl kullanıldığına ve antibiyotik sentezine kadar her konuda rol oynayan çok çeşitli reaksiyonların katalize edilmesinden sorumludur.

Geçtiğimiz birkaç yıl boyunca araştırmacılar, bu enzimlerin reaksiyonları nasıl katalize ettiğini daha iyi anlamak için Enerji Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki Linac Tutarlı Işık Kaynağı (LCLS) dahil olmak üzere X-ışını serbest elektron lazerlerinden gelen ultra kısa, güçlü ışık darbelerini kullandılar.

İki makalede araştırmacılar, kanser tedavisi için potansiyel bir terapötik hedef olan AspH enzimini ve penisilin oluşturmak için gerekli olan izopenisilin N sentaz (IPNS) enzimini incelemek için LCLS’yi kullandılar.

Bu reaksiyonları saniyenin katrilyonda biri kadar zaman ölçeklerinde adım adım inceleyerek, bu enzimlerin reaksiyonları şaşırtıcı şekillerde aktive ettiğini buldular; bu da yeni terapötiklere ve ilaç geliştirmeye ilham verebilecek yeni anlayışlara yol açtı.

SLAC’ın kıdemli bilim insanı Roberto Alonso-Mori, “Statik yapıları incelemekten, biyolojik sistemlerin dinamiklerinin ‘moleküler filmlerini’ çekmeye geçtik” dedi. “Bu bize proteinlerin işlevi hakkında gerçekten bir anlayış kazandırdı.”

Araştırma, Birleşik Krallık’taki Oxford Üniversitesi’ndeki araştırma grubu liderleri Patrick Rabe ve Christopher Schofield tarafından, DOE’nin Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda (Berkeley Laboratuvarı) kıdemli bilim adamı Jan Kern ile yakın işbirliği içinde yürütüldü. Araştırma şu tarihte yayınlandı: Doğa İletişimi Ve Doğa Katalizi.

Terapötiklere yönelik potansiyel yolları belirlemek için X-ışını serbest elektron lazerlerini kullanma

İnsanlarda AspH enzimi AspH geni tarafından kodlanır. Bilim adamları, özellikle glioblastoma adı verilen tedavisi zor beyin kanseri olmak üzere birçok kanserde AspH düzeylerinin arttığını bulmuşlardır. AspH’nin yapısını, işlevini ve nasıl düzenlendiğini inceleyerek bilim adamları, enzimi potansiyel olarak hem bir biyobelirteç hem de kanser tedavisi için terapötik bir hedef olarak kullanabilirler.

Penisilin iki reaktif halkadan oluşan dikkat çekici bir yapıya sahiptir ancak bu nedenle kimyasal sentezlerle üretilemez. Bunun yerine mikrobiyal hücrelerde fermantasyon yoluyla yapılır. Hücrelerde penisilin üretim süreci sırasında, IPNS enzimi hayati önem taşıyan bir erken aşama reaksiyonu katalize eder.

Bu reaksiyonun nasıl çalıştığını analiz etmek, bilim adamlarının bakteriyel enfeksiyonları daha iyi tedavi etmek için antibiyotik direncini aşabilecek sentetik modifiye penisilin oluşturmanın bir yolunu bulmasına yardımcı olabilir.

Araştırmacılar yıllardır bu enzimlerin reaksiyonları nasıl katalize ettiğini araştırıyor, ancak ara maddeleri (bir reaksiyonun ortasında üretilen ve daha sonra tüketilen moleküller) yakalamak zorlayıcıydı.

LCLS’de araştırmacılar, bu reaksiyonlar sırasında tam olarak ne olduğunu gözlemlemek için femtosaniye darbeleriyle makromoleküler kristalografiyi kullanıyor. Son derece parlak ve kısa X-ışını patlamalarından yararlanarak, bunu atomik ayrıntılarda, saniyenin milyarda birinin milyonda biri kadar zaman ölçeklerinde ve oda sıcaklığında biyolojik örneklere zarar vermeden yapabiliyorlar.

Araştırmacılar, Makromoleküler Femtosaniye Kristalografi (MFX) cihazında enzimlerin mikrokristal örneklerini oluşturuyor ve bunları reaksiyonu başlatmak için oksijen enjekte eden bir sistemden geçiriyor. Daha sonra LCLS’den gelen X ışınlarının numuneden gerçek zamanlı olarak nasıl dağıldığını inceleyerek bu verileri reaksiyonların moleküler filmlerine dönüştürüyorlar.

Kern, “Bu büyüleyici enzimlerdeki reaksiyonu tam olarak başlatmamıza ve karmaşık kimyayı gerçek zamanlı olarak adım adım gerçekleştirmelerini izlememize olanak tanıyan deneysel protokoller geliştirmek için uzun yıllardır çalışıyoruz” dedi.

Rabe, “Enzimlerin ara maddeleri nasıl kontrol ettiğini özellikle anlamak istedik” dedi.

‘Moleküler filmler’ şaşırtıcı sonuçları ortaya koyuyor

Araştırmacılar her iki enzim için de demirin reaksiyonlarda önemli bir rol oynadığını biliyorlardı ancak adımların nasıl gerçekleştiğine şaşırdılar. Schofield, “Bu deneylerden elde ettiğimiz gözlemlerimiz karmaşık hesaplamalarla tahmin edilmedi” dedi.

AspH için araştırmacılar, enzimin bir substrata nasıl bağlandığını ve kataliz sırasında oksijeni nasıl aktive ettiğini gördüler. Özellikle, demire bağlı bir su molekülünün reaksiyon boyunca stabil kaldığını gördüler; bu, kataliz için önemli görünen bir faktördür.

Araştırma ekibi, demire bağlı suyun kataliz için gerekli olduğunu biliyordu, ancak bu stabiliteyi görmek ve bozulursa reaksiyonun ilerlemeyeceğini göstermek, bilim adamlarının kanser hücrelerinde AspH aktivitesini hedef alacak bir yol geliştirmesine yardımcı olabilir.

Ayrıca AspH’nin ilgili proteinlerde genellikle görülen üç kalıntı yerine yalnızca iki metal koordine edici kalıntı (proteinlerdeki belirli bölgelere bağlanan amino asitler) kullandığını da buldular. Bilim adamları sonuçta bu bilgiyi, peptitleri terapötik fayda için değiştirebilecek yeni proteinler tasarlamak için kullanabilirler.

IPNS örneğinde araştırmacılar, penisilin halkalarının sentezi sırasında ara maddelerin anlık görüntülerini aldılar. Bu reaksiyona enzimin büyük bir kısmının (sadece substrat ile demir içeren bölgenin değil) dahil olduğunu ve önemli su moleküllerinin de dahil olduğunu buldular. Aslında su molekülleri reaksiyonun sonucunu kontrol etmek için kullanılır.

Schofield, “Bu bizim için çok şaşırtıcıydı” dedi. “Hem aktif bölgeden uzaktaki bölgeler önemlidir hem de bu aktif bölgedeki su molekülleri kataliz için çok önemlidir.” IPNS katalizinin bu adım adım çerçevesi, bilim adamlarının penisilini daha verimli hale getirmek veya hastalıkları yeni yollarla hedeflemek için enzimler tasarlamasına yardımcı olabilir.

Bir sonraki önemli adım, suyun katalizdeki karmaşık rolünü anlamaktır. Ekip ayrıca, bu enzimleri daha iyi anlamak için, örneğin potansiyel bir kanser tedavisi olarak, bu enzimlerin aktivitesini destekleyen veya engelleyen bileşikler oluşturmak istiyor.