Синтезирован рекордно сложный полисахарид из 92 структурных звеньев

Ученые из Китая синтезировали рекордно сложный полисахарид — арабиногалактан, состоящий из 92 моносахаридных звеньев. Оптимизированная методика открывает возможности для синтеза еще более сложных соединений. Искусственно синтезированные полисахариды также могут служить для различных испытаний лекарственных препаратов, в данном случае — против туберкулеза: арабиногалактан входит в состав клеточной стенки палочки Коха.

Рис. 1. Полисахарид-рекордсмен состоит из 92 моносахаридных остатков (пятиугольником обозначен каждый такой остаток). Бактерия Mycobacterium tuberculosisсобирает одну молекулу такого полисахарида из 62 молекул арабинозы (С₅H₁₀O₅) и 30 молекул галактозы (C₆H₁₂O₆). Для получения 30 миллиграмм этого полисахарида в лаборатории ученым потребовалось 35 стадий синтеза и два с половиной года. Рисунок Аркадия Курамшина

Для химиков-органиков прошедшая неделя была юбилейной: 10 апреля они отмечали столетие со дня рождения Роберта Бёрнса Вудворда, признанного гения синтеза природных соединений. Сотрудники лаборатории профессора Е Синь-Шаня (Xin-Shan Ye) из Пекинского университета юбилей Вудворда встретили новым достижением: они получили полисахарид, гораздо более массивный и сложный по строению, чем когда-либо были синтезированны в стенах лабораторий.

Вещество-рекордсмен — арабиногалактан — интересно даже не столько тем, что оно составлено из 92 моносахаридных фрагментов, но в первую очередь тем, что оно представляет собой важный компонент клеточных стенок бактерии Mycobacterium tuberculosis, или палочки Коха, — возбудителя туберкулеза. Противотуберкулезный препарат этамбутол подавляет рост бактерий, блокируя биосинтез арабиногалактана. Так что результаты работы китайских химиков-синтетиков важны для разработки новых, более эффективных противотуберкулезных препаратов, а также для лучшего понимания механизма биосинтеза клеточных стенок у микобактерий, к которым и относится M. tuberculosis.

Углеводы в живой клетке

Углеводы, или сахара, могут принимать в живых организмах самые разнообразные формы и выполнять самые разные биологические функции. Все углеводы состоят из отдельных «единиц» — сахаридов. По способности к гидролизу — распаду на составные единицы — углеводы делятся на две группы: простые и сложные. Простые углеводы, представляющие собой одну единицу, иначе называются моносахариды. К ним относится известная многим глюкоза, которая не только придает сладкий вкус пище, но и является основным и наиболее универсальным источником энергии для обмена веществ практически у всех живых организмов. Углеводы, содержащие от двух до десяти структурных единиц, относят к олигосахаридам. Если же таких структурных единиц более десяти — это уже полисахарид. Наиболее известны структурно-строительный полисахарид целлюлоза, которая образует стенки клеток растений, и резервно-питательные полисахариды крахмал и гликоген.

Однако роль углеводов в живой ткани не сводится только к выполнению структурно-строительных или питательных функций. Олигосахариды и полисахариды с умеренным количеством структурных звеньев могут помогать иммунной системе человека генерировать иммунный отклик. Довольно часто антитела, представляющие собой комплекс белков и углеводов, распознают болезнетворные бактерии с помощью «углеводных антенн», взаимодействующих с углеводами клеточной стенки патогенов по известному биохимическому принципу «ключ–замок». Стратегии разработки антибиотиков нового поколения направлены на получение веществ, способных связывать, разрушать или каким-либо другим образом дезактивировать углеводы возбудителей заболеваний. Очевидно, что для решения этой задачи необходимо знать строение полисахаридов опасных для нашего здоровья бактерий или грибков, а еще лучше — иметь достаточное количество этих углеводов для предварительных испытаний веществ, ставших кандидатами в лекарственные препараты.

Несмотря на то что строение полисахаридов гораздо проще строения белков и нуклеиновых кислот, мы знаем об этих природных высокомолекулярных соединениях куда меньше, чем о белках, ДНК и РНК. Причина таких пробелов — в крайне малом содержании полисахаридов в клетке, что, естественно, приводит к сложностям с выделением этих углеводов из живой ткани и еще большим сложностям с определением их структуры. А это, в свою очередь, делает практически невозможным изучение олиго- и полисахаридов как молекулярных мишеней для разработки фармакологически активных соединений.

Малое содержание углеводов в живых организмах приводит к тому, что для изучения этих веществ их приходится синтезировать в лаборатории, но проблема в том, что особо интересные и неуловимые для биохимиков полисахариды могут содержать в своем составе десятки моносахаридных остатков. Синтез больших углеводов осложняется не только их размерами. Иногда они имеют замысловатое строение, поэтому при их синтезе нужно следить за тем, чтобы в реакциях участвовала одна «правильная» реакционная группа исходного моносахарида из четырёх-пяти фрагментов, обладающих примерно одинаковой активностью (см. Региоселективность), а в результате реакции образовывался «правильный» зеркальный изомер (см. Стереоселективность). Для этого в лабораторной практике приходится прибегать к утомительным и многочисленным манипуляциям по введению и удалению защитных групп; при этом как конечный продукт синтеза, так и промежуточные вещества очень сложно очистить.

Химики начали попытки синтеза сложных полисахаридов два с половиной десятилетия назад. В 1993 году японские ученые синтезировали углевод, состоящий из двадцати пяти моносахаридных звеньев (Y. Matsuzaki et al., 1993. Synthesis of branched poly-N-acetyl-lactosamine type pentaantennary pentacosasaccharide: Glycan part of a glycosyl ceramide from rabbit erythrocyte membrane). Долгое время это синтетическое достижение оставалось рекордным, пока в 2000-х годах не были синтезированы полисахариды, содержащие 30 и 40 моносахаридных остатков. А рекордным до недавнего времени считался синтез углевода, проведенный в лаборатории профессора Петера Зеебергера (Peter H. Seeberger), директора Института коллоидных систем имени Макса Планка. Исследователи из Германии получили линейный полисахарид, состоящий из 50 моносахаридных звеньев.

Следует отметить, что новый рекордсмен — арабиногалактан из клеточных стенок микобактерий — не только почти в два раза больше полисахарида Зеебергера по числу звеньев, но его строение гораздо более сложное, в первую очередь за счет разветвления. Получить такое непростое соединение химикам из Пекинского университета удалось, удачно применив ранее разработанные синтетические методы и приемы. Исследователи оптимизировали методы синтеза пяти-, шести- и семизвенных олигосахаридов из простых сахаров — арабинозы и галактозы, после чего объединили эти короткие олигосахариды, получив 30-звенную цепь галактана (фрагмент, состоящий только из звеньев галактозы) и две идентичных 31-звенных цепи арабинана (фрагмент, состоящий только из звеньев арабинозы), из которых на заключительных стадиях и был получен целевой 92-звенный арабиногалактан. Для полного синтеза углевода — всех операций, связанных с получением, выделением и очисткой промежуточных соединений, — коллективу потребовалось два с половиной года.

Лабораторный синтез этого углевода наглядно показывает, что получить природное соединение с такой массой и сложным строением вне живой клетки вполне возможно. Получение арабиногалактана не только открывает возможности воссоздания в лаборатории других, не менее сложных, полисахаридов, но также позволит экспериментировать с синтетическими олиго- и полисахаридами с целью разработки новых лекарственных препаратов.

Источник: Yong Wu, De-Cai Xiong, Si-Cong Chen, Yong-Shi Wang & Xin-Shan Ye. Total synthesis of mycobacterial arabinogalactan containing 92 monosaccharide units // Nature Communications. 2017. DOI: 10.1038/ncomms14851.