論文共同通訊作者、伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校研究員Wilfred van der Donk說道，“這些細(xì)菌中的酶進(jìn)行的反應(yīng)是令人難以置信的......當(dāng)我們首次觀察到它們時，我們摸不著頭腦。我們隨后必須煞費(fèi)苦心地證實我們認(rèn)為這些酶進(jìn)行的這些反應(yīng)確實發(fā)生了。”
van der Donk及其團(tuán)隊與加州大學(xué)洛杉磯分校生物化學(xué)與生理學(xué)教授Tamir Gonen進(jìn)行合作，證實了他們的發(fā)現(xiàn)。
van der Donk團(tuán)隊（包括論文第一作者Chi Ting）旨在通過探索基因組來發(fā)現(xiàn)新的天然產(chǎn)物，即由細(xì)菌產(chǎn)生的潛在有用物質(zhì)，這一策略稱為基因組挖掘（genome mining）。
van der Donk說道，“基因組挖掘可以讓你開始尋找你根本不知道它們會是什么的化合物。[我們的團(tuán)隊]的許多實驗室都試圖通過基因組挖掘?qū)ふ倚碌目股?..你在尋找不尋常的東西，我們不知道它是如何制造出來的，然后你試著在一種友好的有機(jī)體中制造它。”
細(xì)胞使用稱為氨基酸的特殊化學(xué)成分來制造蛋白，而蛋白是生物的主要結(jié)構(gòu)和內(nèi)部分子機(jī)器。蛋白是由20種不同類型的氨基酸組成的長鏈；肽是較短的氨基酸鏈。一些類型的細(xì)菌天然產(chǎn)物是小肽經(jīng)過市場上銷售的化學(xué)物的修飾后而形成的。
蛋白和大多數(shù)肽由核糖體組裝而成，核糖體是細(xì)胞中的大型分子機(jī)器，就像是面包店里的糕點(diǎn)廚師一樣。根據(jù)基因中編寫的食譜，核糖體能夠?qū)⑷魏伟被嵝蛄羞B接在一起；核糖體是高效的和多功能的。其他的基于肽的天然產(chǎn)物是由一組特定的酶制造出來的，這些酶就像一個家庭烘焙師，背熟了自己最喜歡的食譜---這些酶并不遵循模板，而是不斷地創(chuàng)建相同類型的連接和修飾，從而僅產(chǎn)生一種天然產(chǎn)物。
van der Donk說，“在天然產(chǎn)物的生物合成中，這兩種途徑都被用來制造天然產(chǎn)物。如今，我們偶然發(fā)現(xiàn)了一種同時具備這兩種途徑特征的新途徑。”
這些研究人員在研究感染植物的丁香假單胞菌（Pseudomonas syringae）的過程中發(fā)現(xiàn)一個基因簇時取得了他們意想不到的發(fā)現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)在這個基因簇中，一個基因攜帶核糖體用來制造肽的信息，而另一個基因編碼了一種可以在肽鏈上添加另一種氨基酸的酶。糕點(diǎn)廚師組裝面團(tuán)做面包，但要把它交給家庭面包師來完成制備工作。
van der Donk說，“回想起來，這只是一種非常聰明的做事方式。有一種酶可以對一種事先存在的肽產(chǎn)生這種作用，這意味著如今......你可以將這種肽作為支架使用，僅需一次又一次地制造天然產(chǎn)物。”
他們在假單胞菌中發(fā)現(xiàn)的這種類型的合成方法以這種方式起作用，這是因為一旦將新的氨基酸添加到一種事先存在的肽中，它就會在一系列步驟中受到修飾，隨后遭受破壞，從而返回到由核糖體制造肽的這個起始步驟。通過這種方式，它有點(diǎn)像酵母發(fā)酵劑（sourdough starter）。只要它保持活性狀態(tài)，就不需要重新創(chuàng)建它來制作后續(xù)的每一批面包。
為了充分描述他們的天然產(chǎn)物及其合成，van der Donk團(tuán)隊希望更好地了解它的結(jié)構(gòu)。然而，經(jīng)證實，天然產(chǎn)物分子太不穩(wěn)定而不能使用傳統(tǒng)技術(shù)。該團(tuán)隊尋求了Gonen的幫助。Gonen實驗室近期采用了一種前沿的技術(shù)---對快速冷凍的純化物質(zhì)的微晶進(jìn)行電鏡成像，來確定小分子的結(jié)構(gòu)。
van der Donk說，“一旦你制造了天然產(chǎn)物，如今你需要弄清楚它是什么......我們的合作者想要展示這種方法對于制造未知的天然來源分子的有用性。對于這兩個實驗室來說，這確實是一個雙贏的局面。我認(rèn)為整個天然產(chǎn)物研究界很可能都希望開始使用這種技術(shù)。”
鑒于van der Donk和他的團(tuán)隊已經(jīng)意識到這種替代性合成途徑的存在，他們已發(fā)現(xiàn)了其他類似機(jī)制存在的例子，包括土壤細(xì)菌產(chǎn)生的抗腫瘤化合物。除了擴(kuò)大識別制造有前景的天然產(chǎn)物的基因簇的能力之外，這些研究人員興奮地發(fā)現(xiàn)了使用這種替代性合成途徑的新方法。
van der Donk說道，“我們對于如何將它用于合成生物學(xué)也感到興奮。這是因為制造一種天然產(chǎn)物所需的開銷，也就是資源的數(shù)量，在這里是相當(dāng)?shù)偷摹Ｄ阒圃祀?，一些酶，然后產(chǎn)生一種抗腫瘤化合物…如今有很多人對細(xì)菌進(jìn)行改造讓它們具有抗癌活性很感興趣，就針對讓細(xì)菌為你制造分子而言，這是相對容易實現(xiàn)的成果。”
