اشعه ایکس قدرتمند نقش غیرمنتظره آب را در آنزیم های مرتبط با سرطان و پنی سیلین نشان می دهد.

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

در زیست شناسی، گروهی از آنزیم ها به نام اکسیژنازهای وابسته به 2-oxoglutarate مسئول کاتالیز کردن طیف گسترده ای از واکنش ها هستند که در همه چیز از نحوه استفاده از کد ژنتیکی توسط سلول ها تا سنتز آنتی بیوتیک ها نقش دارند.

در چندین سال گذشته، محققان از پالس‌های نوری فوق‌کوتاه و قدرتمند از لیزرهای الکترون آزاد پرتو ایکس، از جمله منبع نور منسجم Linac (LCLS) در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده SLAC وزارت انرژی، برای درک بهتر این که چگونه این آنزیم‌ها واکنش‌ها را کاتالیز می‌کنند، استفاده کرده‌اند.

در دو مقاله، محققان از LCLS برای مطالعه آنزیم AspH - یک هدف درمانی بالقوه برای درمان سرطان - و آنزیم ایزوپنی سیلین N سنتاز (IPNS) که برای ایجاد پنی سیلین ضروری است، استفاده کردند.

با بررسی گام به گام این واکنش ها در مقیاس های زمانی صرفا چهار میلیاردم ثانیه، آنها دریافتند که این آنزیم ها واکنش ها را به روش های شگفت انگیزی فعال می کنند - که منجر به بینش های جدیدی می شود که می تواند الهام بخش درمان های جدید و توسعه دارو باشد.

روبرتو آلونسو موری، دانشمند ارشد در SLAC می‌گوید: «ما از بررسی ساختارهای ساکن به ساخت «فیلم‌های مولکولی» از دینامیک سیستم‌های بیولوژیکی رسیده‌ایم. "این واقعا به ما درکی از عملکرد پروتئین ها داده است."

این تحقیق توسط پاتریک راب و کریستوفر شوفیلد، رهبران گروه تحقیقاتی در دانشگاه آکسفورد در بریتانیا، با همکاری نزدیک یان کرن، دانشمند ارشد آزمایشگاه ملی لارنس برکلی DOE (آزمایشگاه برکلی) انجام شد. این تحقیق در Nature Communications و Nature Catalysis منتشر شده است.

در انسان، آنزیم AspH توسط ژن AspH کدگذاری می شود. دانشمندان دریافته‌اند که سطوح AspH در سرطان‌های متعدد، به‌ویژه سرطان مغز که درمان آن سخت است، به نام گلیوبلاستوما افزایش می‌یابد. با بررسی ساختار و عملکرد AspH و نحوه تنظیم آن، دانشمندان می توانند به طور بالقوه از این آنزیم به عنوان نشانگر زیستی و هدف درمانی برای درمان سرطان استفاده کنند.

پنی سیلین ساختار قابل توجهی دارد که از دو حلقه واکنشی تشکیل شده است، اما در نتیجه، نمی توان آن را با سنتز شیمیایی ساخت. در عوض، با تخمیر در سلول های میکروبی ساخته می شود. در طی فرآیند ساخت پنی سیلین در سلول ها، آنزیم IPNS یک واکنش حیاتی در مراحل اولیه را کاتالیز می کند.

تجزیه و تحلیل نحوه عملکرد این واکنش می تواند به دانشمندان کمک کند راهی برای ایجاد پنی سیلین اصلاح شده مصنوعی بیابند که می تواند بر مقاومت آنتی بیوتیکی برای درمان بهتر عفونت های باکتریایی غلبه کند.

محققان چگونگی کاتالیزور واکنش‌ها توسط این آنزیم‌ها را برای سال‌ها مطالعه کرده‌اند، اما گرفتن واسطه‌ها - مولکول‌هایی که در میانه واکنش تولید و سپس مصرف می‌شوند - چالش برانگیز بوده است.

در LCLS، محققان از کریستالوگرافی ماکرومولکولی با پالس های فمتوثانیه برای مشاهده دقیقا آنچه در طول این واکنش ها اتفاق می افتد استفاده می کنند. آنها با استفاده از انفجارهای پرتو ایکس بسیار درخشان و کوتاه، می توانند این کار را با جزئیات اتمی، در مقیاس های زمانی میلیونیم میلیاردم ثانیه و در دمای اتاق بدون آسیب رساندن به نمونه های بیولوژیکی انجام دهند.

در ابزار بلورنگاری فمتوثانیه ماکرو مولکولی (MFX)، محققان نمونه‌های میکروکریستالی از آنزیم‌ها را ایجاد می‌کنند و آن‌ها را از طریق سیستمی عبور می‌دهند که اکسیژن را برای القای واکنش تزریق می‌کند. سپس بررسی می‌کنند که چگونه پرتوهای ایکس از LCLS در زمان واقعی از نمونه پراکنده می‌شوند و این داده‌ها را به فیلم‌های مولکولی واکنش‌ها تبدیل می‌کنند.

کرن گفت: «ما سال‌ها برای توسعه پروتکل‌های آزمایشی کار کرده‌ایم که به ما امکان می‌دهد دقیقا واکنش را در این آنزیم‌های شگفت‌انگیز شروع کنیم و آن‌ها را گام به گام شیمی پیچیده را در زمان واقعی تماشا کنیم.

Rabe گفت: "ما می خواستیم به طور خاص بفهمیم که چگونه آنزیم ها مواد واسطه را کنترل می کنند."

برای هر دو آنزیم، محققان می‌دانستند که آهن نقش کلیدی در واکنش‌ها بازی می‌کند، اما از نحوه انجام مراحل شگفت‌زده شدند. شوفیلد گفت: «مشاهدات ما از این آزمایش‌ها با محاسبات پیچیده پیش‌بینی نشده بود.

برای AspH، محققان مشاهده کردند که چگونه آنزیم به یک بستر متصل می شود و اکسیژن را در طول کاتالیز فعال می کند. به طور خاص، آنها دیدند که یک مولکول آب متصل به آهن در طول واکنش پایدار می ماند، عاملی که به نظر می رسد برای کاتالیز مهم باشد.

تیم تحقیقاتی می‌دانست که آب متصل به آهن برای کاتالیز ضروری است، اما دیدن این ثبات - و نشان دادن اینکه اگر مختل شود، واکنش ادامه نخواهد یافت - می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا مسیری برای هدف‌گیری فعالیت AspH در سلول‌های سرطانی ایجاد کنند.

آنها همچنین دریافتند که AspH تنها از دو باقیمانده هماهنگ کننده فلز استفاده می کند - اسیدهای آمینه که به مکان های خاصی در پروتئین ها متصل می شوند - به جای سه باقی مانده معمولا در پروتئین های مرتبط. دانشمندان در نهایت می توانند از این اطلاعات برای مهندسی پروتئین های جدیدی استفاده کنند که می توانند پپتیدها را برای مزایای درمانی اصلاح کنند.

در مورد IPNS، محققان در طول سنتز حلقه های پنی سیلین از مواد واسطه عکس گرفتند. آنها دریافتند که بخش‌های بزرگی از آنزیم در این واکنش دخیل است - نه فقط محل حاوی آهن با بستر - و مولکول‌های کلیدی آب نیز درگیر هستند. در واقع از مولکول های آب برای کنترل نتیجه واکنش استفاده می شود.

شوفیلد گفت: «این برای ما بسیار تعجب آور بود. هم اینکه نواحی دور از سایت فعال مهم هستند و هم اینکه این مولکول های آب محل فعال برای کاتالیز بسیار مهم هستند. این چارچوب گام به گام کاتالیز IPNS می تواند به دانشمندان کمک کند تا آنزیم هایی را مهندسی کنند تا پنی سیلین را کارآمدتر بسازند یا بیماری را به روش های جدید هدف قرار دهند.

گام بعدی مهم، درک نقش پیچیده آب در کاتالیز است. این تیم همچنین می‌خواهد ترکیباتی ایجاد کند که فعالیت این آنزیم‌ها را تقویت یا مهار کند - به عنوان مثال، به عنوان یک درمان بالقوه سرطان - برای درک بیشتر آنها.

Mariska de Munnik و همکاران، مبنای ساختاری بی بند و باری غیرمعمول Fe(II) و 2-oxoglutarate وابسته به آسپارتات انسانی / آسپاراژین-β-هیدروکسیلاز، Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-69425-w

اطلاعات مجله: Nature Communications , Nature Catalysis

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →