科学家们从自然界发现了将硫磺装入复杂分子的新方法

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一组被称为过硫化物的高活性化合物引起了生物化学家的极大好奇，因为它们在自然界中的作用，以及它们如何与蛋白质相互作用以改变其结构和功能，影响健康、衰老和疾病过程。然而，由于这种化学品的不稳定性，研究过硫化物及其影响已被证明具有挑战性。一旦产生了过硫化物，它们就想在被充分研究之前与附近的分子发生反应。

2021年9月28日发表在《自然-通讯》上的一项来自斯克里普斯研究所佛罗里达校区的新研究，揭示了自然界解决这一问题并利用过硫化物的一种先前未被认识的方式，即通过生成在硫磺放置中发挥作用的有益酶。这一发现为研究人员提供了一种在实验室中生成潜在的重要硫基分子的新方法，并为自然界迷人的生物之谜之一提供了答案。硫首先是如何被整合到复杂的分子中的？



位于佛罗里达州朱庇特的斯克里普斯研究中心化学系教授兼主任、该研究的资深作者Ben Shen说，硫是第五种最常见的元素，然而自然界使用相对较少的机制将其安装到小分子中。长期以来他一直想知道，鉴于这些有限的机制，硫原子是如何被纳入他所研究的有趣化合物的结构中的。

1989年首次发现的莱纳霉素是一种天然物质，显示出抗菌和抗癌特性。在他们收集的越来越多的微生物菌株的帮助下，Shen和他的团队在2017年发现了自然界中实际上是一个相当大的莱纳霉素变体家族的几十个成员，而莱纳霉素的两个硫磺是其抗癌活性的关键。

佛罗里达斯克里普斯研究中心最近收购了世界上最大的微生物菌种库之一，这为Shen的研究小组提供了一种研究该问题的新方法，即通过有针对性地寻找新型酶，即大自然的催化剂。这个过程包括培养更多感兴趣的菌株，然后对其遗传物质进行挖掘、测序和分析，以寻找酶的蛛丝马迹。

现在他们发现了一种新的机制，大自然将两个硫原子同时安装到一个小分子中，克服了它们不稳定的长期挑战。这一特别的发现说明了天然菌种收集是多么有用，以及它如何使我们能够做一些创新的事情。



位于佛罗里达州的斯克里普斯研究中心的天然产品收集包括超过125000个菌株，这些菌株是在链霉素被发现后的几十年间由世界各地的研究团体收集的。

来自土壤的细菌必须进化出多样化的、具有生物活性的天然产品，以便在一个充满敌意和竞争的世界中生存。Shen说，这些天然产品具有巨大的潜力，如果它们能够被发现、研究和理解，就可以作为药物或服务于其他用途。该出版物的主要作者Song Meng博士说，构建这些分子需要细菌自己充当化学家，设计出有时像新催化酶这样的创新过程。

通过学习大自然是如何构建天然产品的，Shen实验室的研究人员旨在激发未来在不同领域的努力，如微生物学、生物技术、有机化学和药物化学。

研究的共同作者Meng和Andrew Steele博士回忆起他们知道自己将实现目标的那一刻。"我们一直在孜孜不倦地制造不稳定的过硫化物。它们会降解成有气味的硫化氢，所以当我们第一次闻到臭鸡蛋的时候，我们知道我们已经取得了突破，"Steele说。

不久之后，他们发现了硫代半胱氨酸裂解酶，这是一个以前不为人知的酶家族，自然界用它来制造过硫化物，作为构建整个莱纳霉素天然产品家族的关键中间体。使过硫化物形成的酶在未来可能会有广泛的潜在应用。

在许多基本的和与疾病有关的生化系统中已经发现了过硫化物，但是合成化学领域只有少数专门的方法来生成它们。大自然已经为我们提供了解决这个问题的方案。目前的发现丰富了设计含硫化合物所需的工具箱，并为合成生物学家开发全新的分子类别以影响化学、生物学和医学铺平了道路。