本文已根据 Science X 的编辑流程和政策进行审阅。编辑在确保内容可信度的同时强调了以下属性：
事实核查
同行评审的出版物
可信来源
校对
套索肽是细菌产生的天然产物。它们不寻常的套索形状赋予它们非凡的稳定性，保护它们免受极端条件的影响。在《自然化学生物学》上发表的一项新研究中，研究人员构建并测试了如何制造这些肽的模型，并演示了如何利用这些信息将基于套索肽的药物推向临床。
”套索肽很有趣，因为它们基本上是线性分子，被打成活结状，”米切尔实验室 (MMG) 的研究生苏珊娜·巴雷特 (Susanna Barrett) 说。“由于其令人难以置信的稳定性和可工程性，它们具有很大的治疗潜力。它们还被证明具有抗菌、抗病毒和抗癌特性。”套索肽
套索肽是核糖体合成的和翻译后修饰分子。肽链是通过核糖体将氨基酸以线的形式连接在一起而形成的。然后，两种酶（肽酶和环化酶）协作将线性前体肽转化为独特的打结套索结构。自从三十多年前发现以来，科学家们一直试图了解环化酶如何折叠套索肽。
“解决这个问题的主要挑战之一是这些酶难以使用。当你试图纯化它们时，它们通常是不溶的或不活跃的。”Barrett 说。
一个罕见的反例是 Fusilassin 环化酶（FusC），Mitchell 实验室于 2019 年对其进行了表征。前小组成员能够纯化酶，从那时起，它就成为理解套索打结过程的模型。然而，FusC 的结构仍然未知，因此无法理解环化酶如何与肽相互作用以折叠结。
在当前的研究中，研究小组使用人工智能程序 AlphaFold 来预测 FusC蛋白质结构。他们使用该结构和其他基于人工智能的工具（如 RODEO）来查明哪些环化酶活性位点残基对于与套索肽底物相互作用很重要。
“FusC 由大约 600 个氨基酸组成，活性位点包含 120 个。这些程序对我们的项目很有帮助，因为它们使我们能够进行“结构研究”并减少哪些氨基酸在酶的活性位点中很重要，”Barrett 说。
他们还使用分子动力学模拟来通过计算了解套索如何被环化酶折叠。Shukla 实验室的研究生 Song Yin 表示：“得益于 Folding@home 的计算能力，我们能够收集大量的模拟数据，以可视化原子水平上的相互作用。”“在这项研究之前，没有对套索肽和环化酶之间的相互作用进行MD模拟，我们认为这种方法将适用于许多其他肽工程研究。”
通过他们的计算工作，研究人员发现在不同的环化酶中，活性位点的后壁区域似乎对于折叠尤其重要。在 FusC 中，这对应于螺旋 11 区域。然后，研究人员进行了无细胞生物合成，将合成套索肽所需的所有细胞成分添加到装有酶变体的试管中，这些酶变体在螺旋 11 区域具有不同的氨基酸。最终，他们鉴定出 FusC 的一个版本，其 11 号螺旋上有突变，可以折叠原始环化酶无法产生的套索肽。这些数据证实了研究人员通过计算方法开发的套索肽折叠模型。
“酶如何打出套索结是一个令人着迷的问题。这项研究首次展示了负责产生套索结的生物物理相互作用。这种独特的结构，”化学和生物分子工程副教授 Diwakar Shukla 说。
“我们还表明，这些分子接触在不同门的几种不同环化酶中是相同的，尽管我们尚未进行测试。Barrett 说。
研究人员与总部位于圣地亚哥的 Lassogen 公司合作，表明新的见解可以指导环化酶工程生成否则无法生成的套索肽。制成。作为概念验证，他们设计了一种不同的环化酶，称为 McjC，以有效地产生致癌整合素的有效抑制剂。
“产生套索肽多样性的能力对于优化药物非常重要”，Lassogen 首席执行官马克·伯克 (Mark Burk) 说道。“来自大自然的酶并不总是能让我们生产出感兴趣的套索肽，而改造套索环化酶的能力极大地扩展了这些令人惊奇的分子的治疗效用。”
“我们的工作是不可能的无法获得强大的计算能力以及人工智能和无细胞生物合成方法的最新进展，”约翰和玛格丽特·威特化学教授道格拉斯·米切尔说。“这项工作是 Carl R. Woese 基因组生物学研究所如何促进跨学科合作的一个非凡例子。我感谢 IGB 的 MMG 主题以及 Lassogen 的外部同事参与解决这个复杂的问题。”
更多信息：Susanna E. Barrett 等人，底物相互作用指导环化酶工程和套索肽多样化，自然化学生物学 (2024)。DOI：10.1038/s41589-024-01727-w
期刊信息：Nature Chemical Biology
由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校提供