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Jul 05, 2023
Uno
Scientific Reports volume 6, Numero articolo: 24794 (2016) Cita questo articolo 9893 Accessi 22 Citazioni 78 Altmetric Metrics dettagli Firefly luciferina, il substrato per la reazione di bioluminescenza di
Scientific Reports volume 6, numero articolo: 24794 (2016) Citare questo articolo
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La luciferina della lucciola, il substrato per la reazione di bioluminescenza degli scarabei luminosi, possiede un anello benzotiazolico, raro in natura. Qui, dimostriamo una nuova reazione one-pot per fornire luciferina alla lucciola in un tampone neutro da p-benzochinone e cisteina senza reagenti o enzimi sintetici. La formazione della luciferina della lucciola aveva una resa bassa in vari tamponi neutri, mentre era inibita o completamente impedita in tamponi acidi o basici, in solventi organici o in atmosfera di azoto. L'analisi di etichettatura della luciferina della lucciola utilizzando cisteine isotopiche stabili ha mostrato che l'anello benzotiazolico si è formato tramite la decarbossilazione e il riarrangiamento del legame carbonio-zolfo della cisteina. Questi risultati implicano che la biosintesi della luciferina della lucciola può essere sviluppata/evoluta dalla produzione non enzimatica della luciferina della lucciola utilizzando unità biosintetiche primarie comuni, p-benzochinone e cisteina.
La luciferina della lucciola (D-luciferina della lucciola) è il substrato comunemente utilizzato per la reazione di bioluminescenza di coleotteri luminosi, lucciole (famiglia Lampyridae), vermi della ferrovia (Phengodidae) e coleotteri del fuoco (Elateridae)1. Questa reazione è catalizzata dalla luciferasi della lucciola in presenza di ATP, Mg2+ e ossigeno molecolare1. Questo sistema di luminescenza è ampiamente utilizzato in ogni campo delle scienze della vita, ad esempio per l'imaging dell'espressione genica in tempo reale2.
La luciferina naturale della lucciola è stata isolata dalle lanterne della lucciola nordamericana Photinus pyralis3 e la struttura chimica è stata determinata come acido (S)-2-(6′-idrossi-2′-benzotiazolil)-2-tiazolina-4-carbossilico mediante sintesi chimica4,5. L'enantiomero (R) (luciferina L-lucciola) è inattivo per la reazione di bioluminescenza6,7. Sebbene l'anello benzotiazolico sia un'impalcatura comune che può essere trovata in un'ampia varietà di composti biologicamente e farmacologicamente attivi8, è relativamente raro in natura9. Per questo motivo, gli sforzi di ricerca sono stati indirizzati non solo allo sviluppo di metodi chimici di sintesi ma anche al chiarimento dei processi biosintetici dei composti benzotiazolici10,11,12.
McCapra e Razavi hanno riportato la sintesi chimica dell'etil 6-idrossibenzotiazolo-2-carbossilato da p-benzochinone e cisteina estere etilico cloridrato in tre fasi e hanno suggerito che la luciferina della lucciola fosse biosintetizzata da p-benzochinone e cisteina in natura13. Recentemente abbiamo rivelato che la luciferina della D-lucciola può essere biosintetizzata da una molecola di idrochinone/p-benzochinone e due molecole di L-cisteina iniettando composti marcati con isotopi stabili nella lanterna adulta di una lucciola giapponese vivente Luciola lateralis14. Abbiamo anche dimostrato che la formazione dell'anello benzotiazolico era accompagnata dalla decarbossilazione della L-cisteina14. Tuttavia, i dettagli del processo biosintetico della luciferina della lucciola, compresi gli intermedi e il meccanismo di riarrangiamento per la formazione dell'anello benzotiazolico, sono rimasti poco chiari.
Lo studio della chimica in soluzione acquosa può fornire preziose informazioni sui processi di sintesi dei prodotti naturali in natura, poiché gli enzimi operano in soluzione acquosa15. Ad esempio, Vilotijevic e Jamison hanno dimostrato che le cascate di apertura di epossido si verificano in acqua neutra, supportando l'ipotesi di Nakanishi per la biosintesi dei polieteri a scala presenti in vari prodotti naturali marini16. Chapman et al. riportato la sintesi biomimetica del prodotto naturale di origine vegetale, il carpanone, da due molecole di carpacina utilizzando Pd (II) in soluzione metanolica acquosa17,18. Robinson ha riportato la sintesi one-pot del tropinone da succindialdeide, metilammina e acido acetonedicarbossilico in soluzione acquosa neutra19. Studi successivi hanno rivelato che la sintesi di Robinson imita la biosintesi del tropinone20. Anche la sintesi chimica in acqua ha recentemente attirato molta attenzione come uno dei principi della “chimica verde”21 e sono stati pubblicati numerosi rapporti sulla sintesi riuscita di vari composti bioattivi basati su questo concetto22.