一組被稱為過硫化物的高活性化合物引起了生物化學家的極大好奇，因為它們在自然界中的作用，以及它們如何與蛋白質相互作用以改變其結構和功能，影響健康、衰老和疾病過程。然而，由於這種化學品的不穩定性，研究過硫化物及其影響已被證明具有挑戰性。一旦產生了過硫化物，它們就想在被充分研究之前與附近的分子發生反應。
2021年9月28日發表在《自然-通訊》上的一項來自斯克里普斯研究所佛羅里達校區的新研究，揭示了自然界解決這一問題並利用過硫化物的一種先前未被認識的方式，即通過生成在硫磺放置中發揮作用的有益酶。這一發現為研究人員提供了一種在實驗室中生成潛在的重要硫基分子的新方法，並為自然界迷人的生物之謎之一提供了答案。硫首先是如何被整合到複雜的分子中的？
位於佛羅里達州朱庇特的斯克里普斯研究中心化學系教授兼主任、該研究的資深作者Ben Shen說，硫是第五種最常見的元素，然而自然界使用相對較少的機制將其安裝到小分子中。長期以來他一直想知道，鑒於這些有限的機制，硫原子是如何被納入他所研究的有趣化合物的結構中的。
1989年首次發現的萊納黴素是一種天然物質，顯示出抗菌和抗癌特性。在他們收集的越來越多的微生物菌株的幫助下，Shen和他的團隊在2017年發現了自然界中實際上是一個相當大的萊納黴素變體家族的幾十個成員，而萊納黴素的兩個硫磺是其抗癌活性的關鍵。
佛羅里達斯克里普斯研究中心最近收購了世界上最大的微生物菌種庫之一，這為Shen的研究小組提供了一種研究該問題的新方法，即通過有針對性地尋找新型酶，即大自然的催化劑。這個過程包括培養更多感興趣的菌株，然後對其遺傳物質進行挖掘、測序和分析，以尋找酶的蛛絲馬跡。
現在他們發現了一種新的機制，大自然將兩個硫原子同時安裝到一個小分子中，克服了它們不穩定的長期挑戰。這一特別的發現說明了天然菌種收集是多麼有用，以及它如何使我們能夠做一些創新的事情。
位於佛羅里達州的斯克里普斯研究中心的天然產品收集包括超過125000個菌株，這些菌株是在鏈黴素被發現后的幾十年間由世界各地的研究團體收集的。
來自土壤的細菌必須進化出多樣化的、具有生物活性的天然產品，以便在一個充滿敵意和競爭的世界中生存。Shen說，這些天然產品具有巨大的潛力，如果它們能夠被發現、研究和理解，就可以作為藥物或服務於其他用途。該出版物的主要作者Song Meng博士說，構建這些分子需要細菌自己充當化學家，設計出有時像新催化酶這樣的創新過程。
通過學習大自然是如何構建天然產品的，Shen實驗室的研究人員旨在激發未來在不同領域的努力，如微生物學、生物技術、有機化學和藥物化學。
研究的共同作者Meng和Andrew Steele博士回憶起他們知道自己將實現目標的那一刻。”我們一直在孜孜不倦地製造不穩定的過硫化物。它們會降解成有氣味的硫化氫，所以當我們第一次聞到臭雞蛋的時候，我們知道我們已經取得了突破，”Steele說。
不久之後，他們發現了硫代半胱氨酸裂解酶，這是一個以前不為人知的酶家族，自然界用它來製造過硫化物，作為構建整個萊納黴素天然產品家族的關鍵中間體。使過硫化物形成的酶在未來可能會有廣泛的潛在應用。
在許多基本的和與疾病有關的生化系統中已經發現了過硫化物，但是合成化學領域只有少數專門的方法來生成它們。大自然已經為我們提供了解決這個問題的方案。目前的發現豐富了設計含硫化合物所需的工具箱，並為合成生物學家開發全新的分子類別以影響化學、生物學和醫學鋪平了道路。