Международная группа исследователей проследила, как фермент изопенициллин-N-синтаза, или IPNS, превращает исходную молекулу в основу пенициллина. В статье, опубликованной 9 октября 2026 года в Nature Catalysis, учёные показали рентгеновские снимки кристаллов фермента на разных стадиях реакции. По ним видно, как меняется расстояние между серой и атомом железа в активном центре.

Сера отходит от железа и возвращается

Чтобы увидеть реакцию по этапам, исследователи запускали её кислородом в микрокристаллах фермента. Затем они освещали образцы серией рентгеновских импульсов длительностью в фемтосекунды через 1, 2, 3, 4, 6, 8 и 10 секунд после запуска. Для замедления одной из стадий исходное вещество заменили дейтерированным вариантом. Это помогло лучше различить краткоживущие промежуточные формы.

Через 3–6 секунд после запуска реакции сера исходной молекулы удалялась от железа: расстояние между ними увеличивалось примерно с 2,3 до 4,2 ангстрема. Исследователи связали это состояние с тиоальдегидом, краткоживущим промежуточным соединением. На снимках через 8 и 10 секунд сера снова приближалась к железу. В этот момент учёные определили структуру промежуточной формы с одним β-лактамным кольцом.

Это можно сравнить с застёжкой, которая на короткое время размыкается, пока деталь меняет форму, а затем снова соединяется. Аналогия условная: в ферменте меняется расположение атомов, а не механическая деталь. Снимки показывают последовательность состояний, однако не каждый этап реакции удалось увидеть напрямую.

В активном центре фермента исследователи также обнаружили цепочку из трёх молекул воды. На поздних временных точках одна из них становилась подвижнее. Мутационные эксперименты и вычислительный анализ поддержали вывод, что эта цепочка участвует в переносе протонов и помогает реакции перейти к промежуточной форме, из которой складывается пенициллиновая структура.

У метода есть ограничения. Рентгеновские данные сами по себе не показали расщепление пероксида и образование высокореакционного промежуточного соединения железа и кислорода. Их роль авторы обосновывают косвенно, опираясь на опыты с вариантами фермента и вычисления. Кроме того, снимки показывают усреднённые структуры кристаллов, где могут одновременно присутствовать разные промежуточные состояния. Кристаллическая упаковка мешала готовому продукту покинуть фермент, поэтому реакция в кристалле не полностью совпадает с реакцией в растворе. Временная последовательность также относится к системе с дейтерированным субстратом, который замедляет одну из стадий.

Работа уточняет, как IPNS формирует характерные кольца пенициллина и как молекулы воды помогают управлять реакцией. Авторы считают, что эти сведения могут пригодиться при изучении ферментов и проектировании их вариантов, однако исследование не обещает появления новых лекарств. О том, как оформляют результаты научных исследований, можно узнать в разделе подготовки научных статей.

Концептуальная последовательность наблюдавшихся стадий реакции фермента IPNS; этапы с водой и переносом протонов показаны как поддержанная дополнительными данными интерпретация.

Фото: Ron Lach / Pexels