Исследователи из Бохума и Лейпцига успешно использовали почвенную бактерию для специфического производства пролекарств. Ключом к этому шагу стало детальное понимание метаболизма индола. Природное соединение сначала активируется в микроорганизмах. Для этого им необходима монооксигеназа, молекулярная структура которой была выяснена впервые.

Полученные результаты открывают возможности для биокатализа различных активных фармацевтических ингредиентов. Две группы под руководством профессора Дирка Тишлера из Рурского университета Бохума и профессора Норберта Штретера из Лейпцигского университета сообщили о своих результатах в журнале Angewandte Chemie International Edition 10 февраля 2023 года.

Запах индола на рапсовых полях

Индол - это встречающееся в природе соединение, характерный запах которого известен многим людям по рапсовым полям. Различные микроорганизмы метаболизируют это соединение, но сначала оно должно быть активировано, что происходит с помощью так называемой индол-монооксигеназы. Фермент может связываться с молекулярным атмосферным кислородом при участии кофактора и использоваться для селективного эпоксидирования индола. При этом образуется высокореактивный эпоксид, который затем может быть введен в метаболизм.

"Особенностью этого класса монооксигеназ является то, что до сих пор не удавалось разгадать их молекулярную структуру в сочетании с субстратом и кофактором", - говорит Дирк Тишлер. "Теперь нам это наконец удалось".

Это открывает возможность использования этих монооксигеназ для более устойчивого биокатализа активных фармацевтических ингредиентов, поскольку индольные монооксигеназы и стироловые монооксигеназы составляют подгруппу так называемых флавопротеиновых монооксигеназ, которые могут окислять двойные связи или атомы серы очень избирательно. Исследователи называют это эпоксидированием и сульфоксидированием. В зависимости от субстрата, оба типа ферментов могут также катализировать так называемые хиральные реакции, в ходе которых образуется только желаемый продукт без каких-либо нежелательных побочных продуктов.

"Это особенно важно при производстве активных фармацевтических ингредиентов, поскольку молекулы и их нежелательные двойники могут иметь совершенно разные эффекты", - объясняет Дирк Тишлер. Поскольку побочные продукты не образуются, а реакции протекают в мягких условиях, биокатализ считается особенно устойчивым.

Генетическое изменение создает эффективный биокатализатор

Исследователи также смогли перенести полученные знания об эпоксидировании индола на другие соединения, включая инден. Последний структурно очень похож на индол. "Если вы сможете селективно эпоксидировать инден, вы откроете путь к получению активного ингредиента против протеазы ВИЧ", - говорит Тишлер. "Однако до сих пор нам не хватало структурных и механистических деталей, чтобы заставить индольную монооксигеназу эффективно катализировать эту реакцию".

В настоящей работе исследовательской группе удалось раскрыть структуру субъединицы эпоксидазы IndA1 из почвенной бактерии Variovorax paradoxus EPS и резко повысить эффективность эпоксидирования с помощью определенных генетических изменений. Белок дикого типа производит только 35% чистого оксида индена, тогда как мутант генерирует более 99% чистоты. Полученный таким образом 1S,2R-инденоксид может быть использован в качестве предшественника для ингибитора ВИЧ-протеазы.

"Это показывает важность молекулярного понимания структуры белков для биокатализа, а также возможности направленной эволюции для прикладных исследований", - говорит Дирк Тишлер.