Istraživači iz Bohuma i Lajpciga uspešno su koristili zemljišnu bakteriju za specifično proizvodnju prolekova. Ključ za ovaj korak je bilo detaljno razumevanje metabolizacije indola. Prirodno jedinjenje se prvo aktivira u mikroorganizmima. Da bi to uradili, potrebna im je monooksigenaza, čija je molekularna struktura po prvi put razjašnjena.
Nalazi otvaraju mogućnosti za biokatalizu različitih aktivnih farmaceutskih sastojaka. Dva tima predvođena profesorom Dirkom Tišlerom sa Univerziteta Rur u Bohumu i profesorom Norbertom Straterom sa Univerziteta u Lajpcigu objavili su svoje nalaze u časopisu Angevandte Chemie International Edition 10. februara 2023.
Indol je prirodno jedinjenje, čiji je tipičan miris poznat mnogim ljudima sa polja uljane repice. Razni mikroorganizmi metabolišu ovo jedinjenje, ali ono prvo mora da se aktivira, što se odvija uz pomoć onoga što je poznato kao indol monooksigenaza. Enzim se može vezati za molekularni atmosferski kiseonik uz učešće kofaktora i može se koristiti za selektivnu epoksidaciju indola. Ovo stvara visoko reaktivan epoksid, koji se zatim može uvesti u metabolizam.
„Ono što ovu klasu monooksigenaza čini posebnom je to što do sada nije bilo moguće otkriti njihovu molekularnu strukturu u kombinaciji sa supstratom i kofaktorom“, kaže Dirk Tišler. „Sada smo to konačno uspeli.“
Ovo otvara mogućnost korišćenja ovih monooksigenaza za održiviju biokatalizu aktivnih farmaceutskih sastojaka, pošto indol monooksigenaze i stiren monooksigenaze čine podgrupu onoga što je poznato kao flavoprotein monooksigenaze, koje mogu oksigenisati dvostruke veze ili atome sumpora na visoko selektivni način. Istraživači to nazivaju epoksidacijom i sulfoksidacijom. U zavisnosti od supstrata, oba tipa enzima takođe mogu da katalizuju takozvane hiralne reakcije, tokom kojih se stvara samo željeni proizvod bez ikakvih neželjenih nusproizvoda.
„Ovo je posebno važno tokom proizvodnje aktivnih farmaceutskih sastojaka, jer molekuli i njihovi neželjeni blizanci mogu imati veoma različite efekte“, objašnjava Dirk Tišler. Pošto se ne stvaraju nusproizvodi i reakcije se odvijaju u blagim uslovima, biokataliza se smatra posebno održivom.
Istraživači su takođe uspeli da prenesu uvid u epoksidaciju indola na druga jedinjenja, uključujući inden. Ovaj drugi je strukturno veoma sličan indolu. „Ako možete selektivno epoksidirati inden, otvarate put ka proizvodnji aktivnog sastojka protiv HIV proteaze“, kaže Tischler. „Međutim, do sada su nam nedostajali strukturni i mehanički detalji da bismo dobili indol monooksigenazu da efikasno katalizira ovu reakciju.“
U sadašnjem radu, istraživački tim je uspeo da otkrije strukturu podjedinice epoksidaze IndA1 iz zemljišne bakterije Variovorak paradokus EPS i dramatično poveća efikasnost epoksidacije uz specifične genetske promene. Protein divljeg tipa proizvodi samo 35% čistog inden oksida, dok mutant generiše više od 99% čistoće. 1S,2R-inden oksid proizveden na ovaj način može se koristiti kao prekursor za inhibitor HIV proteaze.
„Ovo pokazuje važnost molekularnog razumevanja proteinskih struktura za biokatalizu, kao i mogućnosti usmerene evolucije za primenjena istraživanja“, kaže Dirk Tišler.
