Projekt SONATA BIS koncentruje się na odkryciu i zrozumieniu nowej klasy biokatalizatorów zdolnych do precyzyjnych modyfikacji strukturalnych pentacyklicznych triterpenów (PTs), związków o potwierdzonych właściwościach biologicznych, obejmujących działanie przeciwnowotworowe, przeciwzapalne, metaboliczne oraz kardioprotekcyjne.

Kluczowym elementem projektu jest opracowanie i pełna charakterystyka nowego wariantu enzymu AcmB2, który jako pierwszy umożliwia enzymatyczne odwodornienie w pozycji C1 dla związków o stereochemii utrudniającej dotychczasowe biotransformacje. Reakcja ta prowadzi do powstania 1‑dehydro‑3‑keto triterpenów, cząsteczek o unikalnych właściwościach biologicznych, dotychczas praktycznie niedostępnych metodami chemicznymi.

Projekt SONATA BIS rozwijany jest we współpracy z wiodącymi ośrodkami naukowymi w Polsce i na świecie: The University of Queensland (Australia), Forschungszentrum Jülich (Niemcy), Politechnika Krakowska (Polska), Politechnika Śląska (Polska), Uniwersytet Śląski w Katowicach (Polska), Małopolska Centrum Biotechnologii (MCB, Polska) i Natchem s.c.

Otrzymywane w projekcie 1‑dehydro‑3‑keto triterpeny mogą stanowić podstawę nowych kierunków terapeutycznych:

• przeciwnowotworowych (mechanizmy mitochondrialne, modulacja EMT, regulacja PI3K/Akt i NF‑κB),

• przeciwzapalnych i antyoksydacyjnych,

• metabolicznych (rola analogiczna do aktywnych form steroidów),

• dermatologicznych i kosmetologicznych (aktywne składniki o udokumentowanym działaniu).

• Nowe enzymy biokatalityczne oraz opracowane kaskady reakcji mogą w przyszłości zostać wykorzystane w:

• syntezie zrównoważonej API,

• bioprodukcji naturalnych metabolitów,

• komercjalizacji triterpenów w farmacji, medycynie i kosmetologii.

Pentacykliczne triterpeny są jedną z najbogatszych naturalnych rodzin związków bioaktywnych, jednak ich biodostępność i aktywność biologiczna zależą od subtelnych modyfikacji strukturalnych. Jedną z najbardziej pożądanych, lecz najtrudniejszych do przeprowadzenia reakcji jest odwodornienie w pierścieniu A, które znacząco wpływa na aktywność przeciwnowotworową i metaboliczną (analogicznie jak w przypadku steroidów – np. prednizon vs. kortyzon).

Dotychczas brakowało:

• enzymów zdolnych do utleniania związków o rozbudowanych podstawnikach przy C4,

• narzędzi do kontrolowanego dostępu do 1‑dehydro triterpenów,

• wiedzy opisującej mechanizm działania i potencjał biologiczny tych cząsteczek.

• Projekt SONATA BIS wypełnia tę lukę, otwierając drogę do nowej generacji bioaktywnych pochodnych PTs.

W projekcie wykorzystujemy kombinację zaawansowanych metod eksperymentalnych i obliczeniowych, które pozwalają nie tylko na inżynierię enzymów, ale również na pełne zrozumienie mechanizmu ich działania.

• inżynierii białek – obejmującej mutagenezę ukierunkowaną, konstrukcję wariantów AcmB i AcmB2 oraz testowanie wpływu pojedynczych mutacji na aktywność katalityczną,

• modelowania molekularnego i symulacji MD – wykorzystywanych do analizy dynamiki centrum aktywnego, energii przejścia oraz etapów reakcji odwodornienia w pozycji C1,

• bioinformatycznego przeszukiwania rodziny KstD – pozwalającego identyfikować nowe, ewolucyjnie odległe warianty enzymów o potencjalnie unikalnej specyficzności substratowej,

• enzymatycznych reakcji w układach modelowych, skali półpreparatywnej i preparatywnej – umożliwiających otrzymywanie triterpenów w ilościach niezbędnych do dalszej analizy biologicznej.

Odkryty enzym AcmB2 wykazuje nową, wcześniej nieopisaną aktywność wobec dipterokarpolu oraz triterpenów o rozbudowanych podstawnikach przy C4. Jego porównanie z AcmB ujawniło istotne różnice w geometrii centrum aktywnego, elastyczności kieszeni wiążącej oraz koordynacji FAD, które determinują aktywność katalityczną. Wyniki te pozwalają zaprojektować enzymy o przewidywalnej specyficzności, dostosowane do syntezy konkretnych pochodnych triterpenów.

Projekt umożliwia opracowanie zupełnie nowej, enzymatycznej ścieżki dostępu do cząsteczek o skomplikowanej, farmakoforowej geometrii, których synteza chemiczna jest kosztowna, wieloetapowa lub wręcz niemożliwa do przeprowadzenia tradycyjnymi metodami. Dzięki połączeniu inżynierii enzymów z eksperymentalną walidacją powstaje platforma, która może być przeniesiona na inne klasy związków naturalnych.

Projekt realizowany w ramach konkursu NCN SONATA BIS 2024/54/E/ST4/00364: „Enzymatyczne przygotowanie nowych odwodornionych pentacyklicznych triterpenów o znaczeniu farmakologicznym”.