Wissenschaftler bringen Bakterien dazu, exotische Proteine herzustellen, die in der Natur nicht vorkommen

Neuauflage von Plato

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Die Natur hat ein festes Rezept für die Herstellung von Proteinen.

Tripletts von DNA-Buchstaben werden in 20 Moleküle übersetzt, die Aminosäuren genannt werden. Diese Grundbausteine werden dann auf vielfältige Weise zu der schwindelerregenden Vielfalt an Proteinen aneinandergereiht, aus denen alle Lebewesen bestehen. Proteine bilden Körpergewebe, revitalisieren es bei Beschädigung und steuern die komplizierten Prozesse, die das Innenleben unseres Körpers wie gut geölte Maschinen am Laufen halten.

Die Untersuchung der Struktur und Aktivität von Proteinen kann Aufschluss über Krankheiten geben, die Entwicklung von Medikamenten vorantreiben und uns helfen, komplexe biologische Prozesse zu verstehen, wie sie beispielsweise im Gehirn oder beim Altern ablaufen. Auch in nicht-biologischen Zusammenhängen werden Proteine immer wichtiger, beispielsweise bei der Herstellung klimafreundlicher Biokraftstoffe.

Doch mit nur 20 molekularen Bausteinen hat die Evolution den Möglichkeiten von Proteinen im Wesentlichen Grenzen gesetzt. Was wäre also, wenn wir den Wortschatz der Natur erweitern könnten?

Durch die Entwicklung neuer Aminosäuren, die in der Natur nicht vorkommen, und deren Einbau in lebende Zellen könnten exotische Proteine mehr leisten. Beispielsweise könnte der Zusatz synthetischer Aminosäuren zu proteinbasierten Arzneimitteln – beispielsweise solchen zur Immuntherapie – deren Struktur leicht verändern, sodass sie länger im Körper verbleiben sind effektiver. Neuartige Proteine öffnen auch die Tür zu neuen chemischen Reaktionen, die Kunststoffe oder leichter abbaubare Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften zerstören.

Aber es gibt ein Problem. Exotische Aminosäuren sind nicht immer mit der Zellmaschinerie kompatibel.

Eine neue Studie in Naturunter der Leitung des Experten für synthetische Biologie Dr. Jason Chin vom Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, Großbritannien, brachte den Traum ein Stück näher. Mit einem neu entwickelten molekularen Screening fanden sie vier exotische Aminosäuren und fügten sie in ein Protein in Bakterienzellen ein. Als Favorit der Industrie für die Produktion von Insulin und anderen proteinbasierten Medikamenten akzeptierten die Bakterien die exotischen Bausteine bereitwillig als ihre eigenen.

Alle neu hinzugefügten Bestandteile unterscheiden sich von den natürlichen Bestandteilen der Zelle, was bedeutet, dass die Zusätze die normalen Funktionen der Zelle nicht beeinträchtigten.

„Es ist eine große Leistung, diese neuen Kategorien von Aminosäuren in Proteine zu integrieren“, sagte Dr. Chang Liu von der University of California in Irvine, der nicht an der Studie beteiligt war. sagte Wissenschaft.

Ein synthetischer Deadlock

Einem Lebewesen exotische Aminosäuren hinzuzufügen, ist ein Albtraum.

Stellen Sie sich die Zelle als eine Stadt vor, in der mehrere „Bezirke“ ihre eigenen Funktionen erfüllen. Der Kern hat die Form eines Aprikosenkerns und beherbergt unseren genetischen Bauplan, der in der DNA aufgezeichnet ist. Außerhalb des Zellkerns arbeiten proteinproduzierende Fabriken, sogenannte Ribosomen. Währenddessen pendeln RNA-Botenstoffe zwischen den beiden hin und her wie Hochgeschwindigkeitszüge, die genetische Informationen transportieren, um sie in Proteine umzuwandeln.

Wie die DNA hat auch die RNA vier molekulare Buchstaben. Jede Kombination aus drei Buchstaben bildet ein „Wort“, das eine Aminosäure kodiert. Das Ribosom liest jedes Wort und ruft die zugehörige Aminosäure mithilfe von Transfer-RNA-Molekülen (tRNA) zur Fabrik, um sie festzuhalten.

Die tRNA-Moleküle sind maßgeschneidert, um bestimmte Aminosäuren mit einer Art hochspezifischem Protein-„Kleber“ aufzunehmen. Sobald die Aminosäure in das Ribosom transportiert wird, wird sie von ihrem Trägermolekül abgetrennt und zu einer Aminosäurekette zusammengefügt, die sich zu komplizierten Proteinformen zusammenrollt.

Offensichtlich hat die Evolution ein ausgeklügeltes System zur Herstellung von Proteinen etabliert. Es überrascht nicht, dass das Hinzufügen synthetischer Komponenten nicht einfach ist.

Zurück in den 1980s, Wissenschaftler fanden einen Weg, synthetische Aminosäuren an einen Träger in einem Reagenzglas zu binden. In jüngerer Zeit haben sie es getan inkorporiert unnatürliche Aminosäuren in Proteine in Bakterienzellen umwandeln, indem sie ihre eigenen inneren Fabriken kapern, ohne die normale Zellfunktion zu beeinträchtigen.

Jenseits von Bakterien, Chin und Kollegen zuvor gehackte tRNA und sein entsprechender „Klebstoff“ – tRNA-Synthetase genannt – um ein exotisches Protein in die Gehirnzellen von Mäusen einzufügen.

Die Neuverkabelung der Proteinaufbaumaschinerie der Zelle, ohne sie zu zerstören, erfordert ein empfindliches Gleichgewicht. Die Zelle benötigt modifizierte tRNA-Träger, um neue Aminosäuren aufzunehmen und zum Ribosom zu transportieren. Das Ribosom muss dann die synthetische Aminosäure als seine eigene erkennen und sie zu einem funktionellen Protein zusammenfügen. Wenn einer der Schritte scheitert, versagt das konstruierte biologische System.

Erweiterung des genetischen Codes

Die neue Studie konzentrierte sich auf den ersten Schritt – die Entwicklung besserer Träger für exotische Aminosäuren.

Das Team mutierte zunächst Gene für das „Kleber“-Protein und generierte Millionen potenzieller alternativer Versionen. Jede dieser Varianten könnte potenziell auf exotische Bausteine zugreifen.

Um das Feld einzugrenzen, wandten sie sich tRNA-Molekülen zu, den Trägern von Aminosäuren. Jeder tRNA-Träger war mit einem Stück genetischen Codes versehen, der sich wie ein Angelhaken an mutierte „Klebstoff“-Proteine heftete. Die Bemühungen fanden acht vielversprechende Paare aus Millionen potenzieller Strukturen. Ein weiteres Screening konzentrierte sich auf eine Gruppe von „Klebstoffproteinen“, die sich an mehrere Arten künstlicher Proteinbausteine klammern könnten – darunter auch solche, die sich stark von natürlichen unterscheiden.

Anschließend fügte das Team Gene ein, die diese Proteine codieren Escherichia coli Bakterienzellen, ein Favorit zum Testen von Rezepten der synthetischen Biologie.

Insgesamt haben acht „Klebstoff“-Proteine erfolgreich exotische Aminosäuren in die natürliche Proteinherstellungsmaschinerie der Bakterien geladen. Viele der synthetischen Bausteine hatten seltsame Rückgratstrukturen, die im Allgemeinen nicht mit natürlichen Ribosomen kompatibel waren. Doch mithilfe von manipulierter tRNA und „Klebstoff“-Proteinen bauten die Ribosomen vier exotische Aminosäuren in neue Proteine ein.

Die Ergebnisse „erweitern den chemischen Umfang des genetischen Codes“ für die Herstellung neuer Arten von Materialien, erklärte das Team in seiner Arbeit.

A Whole New World

Wissenschaftler haben bereits Hunderte exotische Aminosäuren gefunden. KI-Modelle wie AlphaFold oder RoseTTAFold und ihre Variationen werden wahrscheinlich noch mehr hervorbringen. Die Suche nach passenden Trägern und „Klebeproteinen“ war schon immer ein Hindernis.

Die neue Studie etabliert eine Methode, um die Suche nach neuen Designerproteinen mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu beschleunigen. Derzeit kann die Methode nur vier synthetische Aminosäuren integrieren. Aber Wissenschaftler stellen sich bereits Verwendungsmöglichkeiten für sie vor.

Aus diesen exotischen Aminosäuren hergestellte Proteinpräparate haben eine andere Form als ihre natürlichen Gegenstücke und schützen sie so vor dem Zerfall im Körper. Dies bedeutet, dass sie länger anhalten und die Notwendigkeit mehrerer Dosen verringert wird. Ein ähnliches System könnte neue Materialien wie biologisch abbaubaren Kunststoff hervorbringen, der ähnlich wie Proteine auch auf dem Zusammennähen einzelner Komponenten beruht.

Derzeit beruht die Technologie auf der Toleranz des Ribosoms gegenüber exotischen Aminosäuren – was unvorhersehbar sein kann. Als nächstes möchte das Team das Ribosom selbst modifizieren, um fremde Aminosäuren und ihre Träger besser zu vertragen. Sie wollen außerdem proteinähnliche Materialien herstellen, die vollständig aus synthetischen Aminosäuren bestehen und die Funktion lebender Gewebe verbessern könnten.

„Wenn man den erweiterten Satz an Bausteinen auf die gleiche Weise kodieren könnte wie wir Proteine, dann könnten wir Zellen in lebende Fabriken für die kodierte Synthese von Polymeren für alles verwandeln, von neuen Medikamenten bis hin zu Materialien.“ sagte Chin in einem früheren Interview. „Es ist ein superspannendes Feld.“

Bild-Kredit: Nationales Institut für Allergien und Infektionskrankheiten, National Institutes of Health