Exploring novel terpene scaffolds synthesised by artificially expressed terpene synthases

Abstract

Terpenoidy tvoří rozsáhlou třídu přírodních sloučenin s různými biologickými funkcemi, převážně využívané organismy pro obranu a reprodukci. Terpenoidy poměrně často vykazují biologické aktivity, které se využívají jako léčiva nebo léčiva. V této studii optimalizujeme novou metodologii pro objevování nových neprozkoumaných terpensyntáz se schopností katalyzovat cyklizační reakce produkující zcela nové terpenové skelety. Používáme model strojového učení k detekci domnělých genů terpensyntázy v organismech v celém stromu života. Detekujeme a ověřujeme geny terpensyntázy v organismech, o kterých dříve nebylo známo, že je mají, včetně archaea. Tyto sekvence jsou dále validovány prostřednictvím produkce rekombinantního proteinu v bakteriálním a kvasinkovém modelu. Kvasinkový expresní systém se používá k detekci potenciální aktivity terpensyntázy ve velkém objemu a bakteriální expresní systém pro in vitro enzymatickou aktivitu. Produkované a detekované terpeny jsou následně charakterizovány. Halogenované terpeny se nacházejí v některých mořských organismech a mohly by být použity pro další modifikaci v medicinální chemii. Dosud však není známo, který enzym je zodpovědný za halogenaci, a žádné halogenované terpeny nebyly v laboratoři vyrobeny pomocí kombinace terpensyntázy a halogenázy. Abychom pokročili...

Terpenoids constitute a vast class of natural compounds with diverse biological functions, predominantly utilized by organisms for defense and reproduction. Terpenoids quite often exhibit bioactivities that are utilized as drugs or pharmaceuticals. In this study we optimize new methodology for discovering novel unexplored terpene synthases with ability to catalyse cyclization reactions producing totally new terpene scaffolds. We employ a machine learning model to detect putative terpene synthase genes in organisms throughout the entire tree of life. We are detecting and validating terpene synthase genes in organisms previously not known to possess them, including archaea. These sequences are further validated via recombinant protein production in bacterial and yeast model. Yeast expression system is used to detect potential terpene synthase activity at high throughput and bacterial expression system for in vitro enzymatic activity. Produced and detected terpenes are then characterized. Halogenated terpenes are found in some marine organisms and could be used for further modification in medicinal chemistry. However, it is not know yet what enzyme are responsible for halogenation, and no halogenated terpenes have been produced in a lab using combination of terpene synthase and halogenase. To go...