Forskere lokker bakterier til at lave eksotiske proteiner, der ikke findes i naturen

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Naturen har en fast opskrift på at lave proteiner.

Tripletter af DNA-bogstaver oversættes til 20 molekyler kaldet aminosyrer. Disse grundlæggende byggesten bliver derefter på forskellig vis spændt sammen til den svimlende række af proteiner, der udgør alle levende ting. Proteiner danner kropsvæv, revitaliserer dem, når de bliver beskadiget, og styrer de indviklede processer, der holder vores krops indre funktioner kørende som velsmurte maskiner.

At studere strukturen og aktiviteten af proteiner kan kaste lys over sygdom, fremskynde udvikling af lægemidler og hjælpe os med at forstå komplekse biologiske processer, såsom dem, der arbejder i hjernen eller aldring. Proteiner er også ved at blive essentielle i ikke-biologiske sammenhænge, som for eksempel ved fremstilling af klimavenlige biobrændstoffer.

Men med kun 20 molekylære byggesten sætter evolutionen i det væsentlige en grænse for, hvad proteiner kan gøre. Så hvad nu hvis vi kunne udvide naturens ordforråd?

Ved at konstruere nye aminosyrer, der ikke ses i naturen, og inkorporere dem i levende celler, kunne eksotiske proteiner gøre mere. For eksempel kan tilsætning af syntetiske aminosyrer til proteinbaserede lægemidler – såsom dem til immunterapi – justere deres struktur lidt, så de holder længere i kroppen og er mere effektive. Nye proteiner åbner også døren for nye kemiske reaktioner, der tygger plastik eller lettere nedbrydelige materialer med forskellige egenskaber op.

Men der er et problem. Eksotiske aminosyrer er ikke altid kompatible med en celles maskineri.

En ny undersøgelse in Natur, ledet af syntetisk biologi ekspert Dr. Jason Chin ved Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, Storbritannien, bragte drømmen lidt tættere på. Ved hjælp af en nyudviklet molekylær screening fandt og indsatte de fire eksotiske aminosyrer i et protein inde i bakterieceller. Bakterierne var en industriel favorit til at udskille insulin og anden proteinbaseret medicin, og de accepterede let de eksotiske byggesten som deres egne.

Alle de nyligt tilføjede komponenter er forskellige fra cellens naturlige, hvilket betyder, at tilføjelserne ikke forstyrrede cellens normale funktioner.

"Det er en stor bedrift at få disse nye kategorier af aminosyrer ind i proteiner," Dr. Chang Liu ved University of California, Irvine, som ikke var en del af undersøgelsen, fortalt Videnskab.

En syntetisk dødvande

At tilføje eksotiske aminosyrer til en levende ting er et mareridt.

Forestil dig cellen som en by, med flere "distrikter", der udfører deres egne funktioner. Kernen, formet som hulen af en abrikos, huser vores genetiske plan, der er registreret i DNA. Uden for kernen kværner proteinfremstillingsfabrikker kaldet ribosomer væk. I mellemtiden brummer RNA-budbringere mellem de to som højhastighedstog, der transporterer genetisk information, der skal omdannes til proteiner.

Ligesom DNA har RNA fire molekylære bogstaver. Hver kombination af tre bogstaver danner et "ord", der koder for en aminosyre. Ribosomet læser hvert ord og kalder den tilhørende aminosyre til fabrikken ved hjælp af transfer RNA (tRNA) molekyler til at gribe ind i dem.

tRNA-molekylerne er skræddersyet til at opfange bestemte aminosyrer med en slags meget specifik protein-"lim". Når den først er ført ind i ribosomet, plukkes aminosyren af sit bærermolekyle og sys til en aminosyrestreng, der krøller sig til indviklede proteinformer.

Det er klart, at evolutionen har etableret et sofistikeret system til fremstilling af proteiner. Ikke overraskende er det ikke ligetil at tilføje syntetiske komponenter.

Tilbage i 1980'erne, forskere fundet en måde at binde syntetiske aminosyrer til en bærer inde i et reagensglas. For nylig har de gjort det indarbejdet unaturlige aminosyrer til proteiner inde i bakterieceller ved at kapre deres egne indre fabrikker uden at påvirke normal cellefunktion.

Ud over bakterier, Chin og kolleger tidligere hacket tRNA og dets tilsvarende "lim" - kaldet tRNA-syntetase - for at tilføje et eksotisk protein til musehjerneceller.

Omledning af cellens proteinopbygningsmaskineri uden at bryde det kræver en delikat balance. Cellen har brug for modificerede tRNA-bærere for at fange nye aminosyrer og trække dem til ribosomet. Ribosomet skal derefter genkende den syntetiske aminosyre som sin egen og sy den til et funktionelt protein. Hvis et af trinene snubler, svigter det konstruerede biologiske system.

Udvidelse af den genetiske kode

Den nye undersøgelse fokuserede på det første skridt - at udvikle bedre bærere for eksotiske aminosyrer.

Holdet muterede først gener for "lim"-proteinet og genererede millioner af potentielle alternative versioner. Hver af disse varianter kunne potentielt gribe ind i eksotiske byggeblokke.

For at indsnævre feltet henvendte de sig til tRNA-molekyler, bærerne af aminosyrer. Hver tRNA-bærer blev mærket med en smule genetisk kode, der var knyttet til muterede "lim"-proteiner som en fiskekrog. Indsatsen fandt otte lovende par ud af millioner af potentielle strukturer. En anden skærm nulstillede en gruppe af "lim"-proteiner, der kunne gribe ind i flere typer kunstige proteinbyggesten - inklusive dem, der er meget forskellige fra naturlige.

Holdet indsatte derefter gener, der koder for disse proteiner Escherichia coli bakterieceller, en favorit til at teste syntetiske biologiske opskrifter.

Samlet set indlæste otte "lim"-proteiner med succes eksotiske aminosyrer i bakteriernes naturlige proteinfremstillingsmaskineri. Mange af de syntetiske byggeklodser havde mærkelige rygradsstrukturer, der ikke generelt er kompatible med naturlige ribosomer. Men ved hjælp af konstrueret tRNA og "lim"-proteiner inkorporerede ribosomerne fire eksotiske aminosyrer i nye proteiner.

Resultaterne "udvider det kemiske omfang af den genetiske kode" til fremstilling af nye typer materialer, forklarede holdet i deres papir.

A Whole New World

Forskere har allerede fundet hundredvis af eksotiske aminosyrer. AI-modeller som AlphaFold eller RoseTTAFold og deres variationer vil sandsynligvis skabe endnu mere. At finde bærere og "lim" proteiner, der matcher, har altid været en vejspærring.

Den nye undersøgelse etablerer en metode til at fremskynde søgningen efter nye designerproteiner med usædvanlige egenskaber. Indtil videre kan metoden kun inkorporere fire syntetiske aminosyrer. Men videnskabsmænd forestiller sig allerede anvendelser for dem.

Proteinlægemidler fremstillet af disse eksotiske aminosyrer er formet anderledes end deres naturlige modstykker, hvilket beskytter dem mod forfald inde i kroppen. Det betyder, at de holder længere, og det mindsker behovet for flere doser. Et lignende system kunne fremkalde nye materialer såsom bionedbrydelig plast, der ligesom proteiner også er afhængig af at sy individuelle komponenter sammen.

Indtil videre er teknologien afhængig af ribosomets tolerance over for eksotiske aminosyrer - hvilket kan være uforudsigeligt. Dernæst ønsker holdet at modificere selve ribosomet for bedre at kunne tolerere mærkelige aminosyrer og deres bærere. De søger også at skabe proteinlignende materialer lavet fuldstændigt af syntetiske aminosyrer, som kan øge funktionen af levende væv.

"Hvis du kunne kode det udvidede sæt af byggesten på samme måde, som vi kan proteiner, så kunne vi gøre celler til levende fabrikker til den kodede syntese af polymerer til alt fra nye lægemidler til materialer." sagde Chin i et tidligere interview. "Det er et superspændende felt."

Billede Credit: National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institutes of Health