Investigadores de Princeton Chemistry han descubierto una ruta biosintética que incorpora selenio en pequeñas moléculas microbianas, marcando la primera vez que tales átomos se han descubierto en productos naturales y abriendo nuevas vías en la selenobiología.

La investigación también sugiere fuertemente que el selenio, un oligoelemento esencial en todos los reinos de la vida, puede tener un papel biológico más importante en las bacterias de lo que los científicos supusieron originalmente.

El artículo del laboratorio, «Biosíntesis de moléculas pequeñas que contienen selenio en diversos microorganismos», fue escrito por Chase Kayrouz, un estudiante graduado de cuarto año en el laboratorio; los posdoctorados Jonathan Huang y Nicole Hauser; y Mohammad Seyedsayamdost, profesor del Departamento de Química.

«Este era un campo cerrado. Nadie había encontrado una nueva vía en el metabolismo del selenio en 20 años», dijo Kayrouz. «La biosíntesis de selenoproteínas y ácidos selenonucleicos se aclaró en los años 80 y 90. Y desde entonces, la gente asumió que estas son las únicas cosas que los microbios hacen con el selenio. Simplemente nos preguntamos si podrían incorporar el selenio en otras moléculas pequeñas. Resulta que sí».

Dijo Seyedsayamdost: «Nuestro trabajo muestra que la naturaleza ha desarrollado vías para incorporar este elemento en moléculas pequeñas, azúcares y metabolitos secundarios. El selenio tiene propiedades notables que son distintas de las de cualquier otro elemento que se encuentra en biomoléculas. La incorporación de selenio en selenoneína, por ejemplo, lo convierte en un antioxidante mucho mejor que la versión de azufre de la molécula.Pero mientras que el azufre es omnipresente en las biomoléculas, la presencia de selenio es mucho más rara y se pensaba que estaba limitada a los biopolímeros.

«La naturaleza ha desarrollado mecanismos específicos para incorporar azufre o selenio en productos naturales, aprovechando así las propiedades únicas de ambos elementos a través de vías que son específicas para cada uno».

EN BUSCA DE SELENIO

El laboratorio comenzó su investigación bajo el supuesto de que los átomos de selenio deberían existir en productos naturales debido a su ubicuidad de utilización en otros lugares. Preguntaron, ¿cómo se vería tal firma en los genomas microbianos?

«¿Cómo ve realmente dónde está un nuevo fármaco o producto natural o metabolito de selenio, cómo lo encuentra?» dijo Kayrouz. «Por lo general, buscamos grupos de genes biosintéticos, grupos de genes en el cromosoma que codifican la biosíntesis de tales moléculas. Entonces, si tenemos una vía para hacer un compuesto que contiene selenio, tiene que estar codificado por genes».

Implementaron una estrategia de minería del genoma en busca de genes que se encuentran junto a selD, que codifica el primer paso en todos los procesos de selenio conocidos dentro de la célula.

Con bastante rapidez, encontraron un gen que estaba co-localizado con selD, llamado senB, que llamó su atención, particularmente porque nunca antes había sido implicado en el metabolismo del selenio.

Un examen más detenido descubrió un tercer gen co-localizado, llamado SenA. Kayrouz planteó la hipótesis de que estos tres genes pueden estar involucrados en una nueva vía biosintética de selenio.

«Primero, definimos cómo sería un grupo de genes biosintéticos que incorpora selenio», dijo Seyedsayamdost. «Luego usamos la bioinformática para buscar tales genes e identificamos lo que ahora llamamos el ‘grupo sen’ en diversos genomas microbianos».

Pudieron expresar cada uno de estos nuevos genes en Escherichia coli, ensamblando así toda la ruta en un tubo de ensayo. Esto reveló la producción de dos moléculas pequeñas que contienen selenio : un selenoazúcar y una molécula llamada selenoneína. También reveló dos enzimas que forman enlaces carbono-selenio, las primeras enzimas de este tipo que actúan sobre moléculas biológicas pequeñas.

«Los microbios ponen selenio en estos compuestos por una razón, por lo que debe haber alguna bioactividad interesante asociada con ellos», dijo Kayrouz. «Todavía no sabemos qué es eso, pero es extremadamente emocionante. Como químicos biológicos, descubrimientos como este son para lo que nos despertamos todos los días».