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科学家开发出用于脑研究的海藻化学品的新生产方法

研究人员找到了一种经济有效的方法来生产红藻氨酸,红藻酸是神经科学家使用的一种重要的天然化学物质

海藻 digenea simplex 在沙滩上。照片来源:博士。来自日本ryukyus大学的toshiaki teruya

一队科学家在 划线海洋学机构 在加州大学圣地亚哥分校和j。克雷格威特学院(JCVI)开发了一种生产红藻氨酸的新方法,红藻氨酸是一种天然海藻神经化学物质,是用于大脑研究的强大试剂。

在一个 新研究 于该杂志于4月17日出版 angew和te chemie国际版科学家能够对已知产生红藻氨酸的海藻的基因组进行测序,并确定了负责生产天然化学物质的酶。他们还利用生物技术开发了一种更便宜,更有效的方法来生产实验室中克数量的海藻化学品 - 这是一项重大突破,对未来大规模生产红藻氨酸具有重要意义。

“因为红藻氨酸是目前仍在研究中使用的一种重要分子,我们希望开发一种新的方法来生产它,”主要作者jonathan chekan说,他是博士后研究员。 海洋生物技术和生物医学中心 在scripps海洋学。 “这种生物转化方法使我们能够以比传统化学合成更便宜,更环保的方式快速生产红藻氨酸。”

红藻氨酸存在于世界各地的某些类型的红藻或海藻中。几个世纪以前,日本人发现吃当地的海藻称为 digenea simplex 可以治疗寄生虫感染。在20世纪50年代,科学家们发现红藻氨酸是其中的活性化合物 d。单纯的海藻,导致其在日本的临床用作抗寄生虫药物。红藻氨酸激活兴奋性谷氨酸受体,控制大脑中的细胞间通讯,对短期记忆至关重要。近年来,红藻氨酸已被用作研究人类神经系统疾病如癫痫和阿尔茨海默病的研究工具。

2000年全球海藻天然产品的短缺促使研究人员使用化学合成版本的红藻氨酸。虽然存在70多种合成版本,但它们至少需要六个步骤才能生产,生产率低,而且非常昂贵。这些因素限制了许多科学家使用红藻氨酸进行研究。

作者描述的新的红藻氨酸生产方法可以为化学品的大规模生物技术生产打开大门。他们的研究建立在团队的基础之上 最近的工作 发现浮游植物微藻产生的强效神经毒素软骨藻酸的遗传起源。软锰酸研究帮助科学家们开发了一个假设,即如何在生物体内形成像红藻氨酸这样的化合物 - 在这种情况下是海藻 - 在一个称为生物合成的过程中。

“我们的工作代表了一个经过验证的基因簇的第一个例子,这些基因编码生产海藻天然产物药物。这项知识为研究人类神经系统疾病的研究人员提供了一种新的,更实惠的红藻氨酸供应,“资深作者布拉德利摩尔说,他是scripps海洋学和教授 斯卡格斯药学和制药科学学院 在圣地亚哥。

研究人员开始对两种生产海藻酸的海藻的基因组进行测序, d。单 palmaria palmata,有史以来第一次。由于藻类基因组的高重复性,海藻基因组相对未知的大小以及获得没有污染微生物和其他藻类的海藻样品的技术挑战,很少有海藻基因组被测序。

这些挑战在测序过程中得到了解决 d。单 通过使用牛津纳米孔技术的新promethion测序仪。该设备具有长读序列技术,使研究人员能够组装海藻的基因组,并允许他们首次在海藻中观察生物合成基因聚类。他们使用较小版本的prionthion称为minion来进行排序 页。掌叶.

“纳米孔测序被吹捧为测序的'圣杯',直到最近才成为现实,”该研究的共同作者todd michael说,他是jcvi的教授和信息学主任。

他致力于对发现新途径的海藻基因组进行测序和组装。

迈克尔说:“这是首次使用promethion进行序列和组装基因组以及第一个红藻基因组的研究之一。” “使用长读数和大量数据的测序和组装使我们能够在红藻氨酸途径中组装基因。”

研究人员利用新发现的海藻酶途径,制定了一个简洁的两步法来生产红藻氨酸。他们在细菌中表达了海藻基因 大肠杆菌 并发现酶能够在发酵过程中形成红藻氨酸。

“只有当我们建立了一种方法,我们采用化学合成和细菌发酵与海藻基因的组合,我们生产克量的纯红藻氨酸,”摩尔说。 “看到这么多红藻氨酸生成,我感到非常震惊,所以简单而优雅。”

研究人员现在正在将这种生物技术方法商业化,以更实惠和更清洁的方式生产红藻氨酸和其他神经化学物质。他们表示,这种红藻氨酸生产方法可以在不久的将来迅速实现工业规模,为人类脑部疾病的研究提供了更多的机会。

除了chekan,moore和michael之外,这项研究还由肖克海洋学的肖恩麦克尼和马利亚摩尔以及jcvi的shane poplawski撰写。

这项研究由美国资助。国家卫生研究院(r01-gm085770),生命科学研究基金会的西蒙斯基金会,以及加拿大自然科学和工程研究理事会。


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