普林斯頓大學的研究人員發現了一個將硒納入微生物小分子的生物合成過程，這標誌着首次在天然產品中檢測到這種原子，並為硒生物學提供了新的可能性。這些發現還意味着，硒，一種在所有生命王國中發現的必需的微量元素，在細菌中可能具有比科學家以前認為的更重要的生物作用。
這些發現發表在《自然》雜誌上，作者是Chase Kayrouz、Jonathan Huang、Nicole Hauser和Mohammad SeyedsayAMDost。
硒的生物合成途徑
這幅插圖顯示了將Se納入微生物小分子的生物合成途徑，這表明細菌中存在一個未開發的”化學空間”，現在可以開採新型天然產品。資料來源：《自然》雜誌
“這是個封閉的領域。20年來，沒有人發現硒代謝的新途徑，”Kayrouz說。”硒蛋白和硒核酸的生物合成是在80年代和90年代被闡明的。從那時起，人們就認為這些是微生物利用硒做的唯一事情。我們只是想知道它們是否會將硒納入其他小分子中？事實證明，它們確實如此。”
Seyedsayamdost說：”我們的工作表明，大自然確實已經進化出了將這種元素納入小分子、糖類和次級代謝物的途徑。硒具有顯著的特性，與生物大分子中發現的任何其他元素不同。例如，硒與硒酮的結合使其成為一種比硫磺版分子更好的抗氧化劑。但是，雖然硫在生物大分子中無處不在，但硒的出現卻要少得多，而且被認為僅限於生物聚合物。”
他繼續說：”大自然已經進化出了將硫或硒納入天然產品的特定機制，從而通過各自特有的途徑來利用這兩種元素的獨特特性。”
Chase Kayrouz，普林斯頓化學學院Seyedsayamdost實驗室的四年級研究生，本周發表的《自然》論文的第一作者。
尋找硒
研究人員在開始調查時假設，由於硒原子在其他地方的廣泛使用，它們應該出現在天然產品中。他們想知道這樣的特徵在微生物基因組中可能是什麼樣子的。
“如何真正看到一種新的藥物或天然產品或硒代謝物在哪裡，如何找到它？”Kayrouz說。”我們通常尋找生物合成基因簇–染色體上編碼這種分子的生物合成的基因組。因此，如果我們有一條製造含硒化合物的途徑，它必須由基因編碼。”
他們實施了一個基因組挖掘策略，尋找在selD旁邊發現的基因，selD編碼了細胞內所有已知硒過程的第一步。
很快，他們發現了一個與selD共同定位的基因–senB–引起了他們的注意，特別是因為它之前沒有被牽涉到硒代謝中。
進一步檢查發現了第三個共同定位的基因，稱為SenA。Kayrouz推測，這三個基因可能參與了一個新的硒生物合成途徑。
“首先，我們定義了納入硒的生物合成基因簇會是什麼樣子，”Seyedsayamdost說。”然後我們使用生物信息學來尋找這樣的基因，並在不同的微生物基因組中確定了我們現在所說的’sen集群'”。他們能夠在大腸桿菌中表達這些新基因中的每一個，從而在試管中組裝出整個途徑。這揭示了兩種含硒小分子的產生–一種硒糖和一種叫做硒酮的分子。它還揭示了兩種形成碳-硒鍵的酶，這是第一個作用於生物小分子的此類酶。
Kayrouz說：”微生物將硒放入這些化合物是有原因的，所以一定有一些有趣的生物活性與它們相關。”我們還不知道那是什麼，但這是非常令人興奮的。作為生物化學家，像這樣的發現是我們每天醒來的目的。”