Teadlased meelitavad baktereid tootma eksootilisi valke, mida looduses ei leidu

Loodusel on valkude valmistamiseks kindel retsept.

DNA tähtede kolmikud muunduvad 20 molekuliks, mida nimetatakse aminohapeteks. Need põhilised ehitusplokid on seejärel mitmel viisil ühendatud peadpööritavaks valkude hulgaks, mis moodustavad kõik elusolendid. Valgud moodustavad kehakudesid, taaselustavad neid, kui need on kahjustatud, ja juhivad keerulisi protsesse, hoides meie keha sisemist tööd nagu hästi õlitatud masinad.

Valkude struktuuri ja aktiivsuse uurimine võib heita valgust haigustele, soodustada ravimite väljatöötamist ja aidata meil mõista keerulisi bioloogilisi protsesse, nagu need, mis töötavad ajus või vananemine. Valgud muutuvad oluliseks ka mittebioloogilises kontekstis, nagu näiteks kliimasõbralike biokütuste tootmisel.

Kuid ainult 20 molekulaarse ehitusplokiga seab evolutsioon sisuliselt piiri valkude võimekusele. Mis siis, kui saaksime looduse sõnavara laiendada?

Looduses mittenähtavate uute aminohapete väljatöötamisega ja nende elusrakkudesse viimisega saaksid eksootilised valgud teha rohkem. Näiteks sünteetiliste aminohapete lisamine valgupõhistele ravimitele (nt immunoteraapias kasutatavatele ravimitele) võib nende struktuuri veidi muuta, nii et need säilivad kehas kauem ja on tõhusamad. Uued valgud avavad ukse ka uutele keemilistele reaktsioonidele, mis närivad ära erinevate omadustega plasti või kergemini lagunevaid materjale.

Aga seal on probleem. Eksootilised aminohapped ei sobi alati raku masinatega.

Uues uurimuses in loodus, mida juhtis sünteetilise bioloogia ekspert dr Jason Chin Ühendkuningriigis Cambridge'is asuvas meditsiiniuuringute nõukogu molekulaarbioloogia laboris, tõi unistuse pisut lähemale. Hiljuti välja töötatud molekulaarse ekraani abil leidsid nad neli eksootilist aminohapet ja sisestasid need bakterirakkude sees asuvasse valku. Insuliini ja muude valgupõhiste ravimite väljapressimise tööstuslik lemmik, bakterid võtsid eksootilisi ehitusplokke kergesti omaks.

Kõik äsja lisatud komponendid erinevad raku loomulikest komponentidest, mis tähendab, et lisandid ei seganud raku normaalseid funktsioone.

"Nende uute aminohapete kategooriate muutmine valkudeks on suur saavutus," ütles dr Chang Liu California ülikoolist Irvine'is, kes uuringus ei osalenud. ütles teadus.

Sünteetiline tupik

Eksootiliste aminohapete lisamine elusolendisse on õudusunenägu.

Kujutage lahtrit linnana, kus mitu "linnaosa" täidab oma funktsioone. Aprikoosi süvendiga sarnanev tuum sisaldab meie DNA-sse salvestatud geneetilist plaani. Väljaspool tuuma lagunevad valke tootvad tehased, mida nimetatakse ribosoomideks. Samal ajal sumisevad nende kahe vahel RNA sõnumitoojad nagu kiirrongid, mis edastavad geneetilist teavet valkudeks muutmiseks.

Nagu DNA-l, on RNA-l neli molekulaarset tähte. Iga kolmetäheline kombinatsioon moodustab "sõna", mis kodeerib aminohapet. Ribosoom loeb iga sõna ja kutsub seotud aminohappe tehasesse, kasutades nende külge haaramiseks ülekande-RNA (tRNA) molekule.

tRNA molekulid on kohandatud teatud aminohapete kogumiseks teatud tüüpi väga spetsiifilise valgu "liimiga". Kui aminohape on ribosoomi viinud, eemaldatakse see kandjamolekulist ja õmmeldakse aminohappe stringiks, mis kõverdub keerukateks valgukujulisteks kujudeks.

On selge, et evolutsioon on loonud valkude tootmiseks keeruka süsteemi. Pole üllatav, et sünteetiliste komponentide lisamine pole lihtne.

1980ndatel teadlased leidis viisi sünteetiliste aminohapete kinnitamiseks katseklaasis olevale kandjale. Viimasel ajal on nad lisatud ebaloomulikud aminohapped valkudeks bakterirakkude sees, kaaperdades nende endi sisemised tehased, mõjutamata seejuures normaalset raku funktsiooni.

Lisaks bakteritele Chin ja kolleegid varem häkitud tRNA ja sellele vastav "liim" - tRNA süntetaas - eksootilise valgu lisamiseks hiire ajurakkudesse.

Raku valkude moodustamise masinate ümberpaigutamine ilma seda purustamata võtab õrna tasakaalu. Rakk vajab modifitseeritud tRNA kandjaid, et haarata uusi aminohappeid ja tõmmata need ribosoomi. Seejärel peab ribosoom sünteetilise aminohappe omaks tunnistama ja selle funktsionaalseks valguks ühendama. Kui üks samm komistab, siis konstrueeritud bioloogiline süsteem ebaõnnestub.

Geneetilise koodi laiendamine

Uus uuring keskendus esimesele sammule - eksootiliste aminohapete paremate kandjate kavandamisele.

Meeskond muteeris esmalt liimivalgu geene ja genereeris miljoneid potentsiaalseid alternatiivseid versioone. Kõik need variandid võivad potentsiaalselt haarata eksootiliste hooneplokkide külge.

Valdkonna kitsendamiseks pöördusid nad tRNA molekulide, aminohapete kandjate poole. Iga tRNA kandja märgistati natuke geneetilise koodiga, mis kinnitus muteerunud "liim" valkudele nagu õngekonks. Jõupingutustega leiti miljonitest potentsiaalsetest struktuuridest kaheksa paljutõotavat paari. Teine ekraan nullis liimivalkude rühma, mis võiks haarata mitut tüüpi tehisvalgu ehitusplokke, sealhulgas neid, mis erinevad väga looduslikest.

Seejärel sisestas meeskond neid valke kodeerivad geenid Escherichia coli bakterirakud, lemmikud sünteetilise bioloogia retseptide testimiseks.

Üldiselt laadisid kaheksa "liim" valku edukalt eksootilisi aminohappeid bakterite loomulikku valkude valmistamise masinasse. Paljudel sünteetilistel ehitusplokkidel olid kummalised selgroogstruktuurid, mis üldiselt ei ühildunud looduslike ribosoomidega. Kuid konstrueeritud tRNA ja "liim" valkude abil ühendasid ribosoomid neli eksootilist aminohapet uutesse valkudesse.

Tulemused "laiendavad geneetilise koodi keemilist ulatust" uut tüüpi materjalide valmistamiseks, selgitas meeskond oma artiklis.

Täiesti uus maailm

Teadlased on juba leidnud sadu eksootilisi aminohappeid. Tehisintellekti mudelid, nagu AlphaFold või RoseTTAFold, ja nende variatsioonid tekitavad tõenäoliselt veelgi rohkem. Sobivate kandjate ja "liimi" valkude leidmine on alati olnud takistuseks.

Uus uuring loob meetodi, mis kiirendab uute ebatavaliste omadustega disainervalkude otsimist. Praegu võib meetod hõlmata ainult nelja sünteetilist aminohapet. Kuid teadlased näevad juba ette nende kasutusvõimalusi.

Nendest eksootilistest aminohapetest valmistatud valguravimid on erineva kujuga kui nende looduslikud analoogid, kaitstes neid kehas lagunemise eest. See tähendab, et need kestavad kauem ja vähendab vajadust mitme annuse järele. Sarnane süsteem võiks välja tuua uusi materjale, nagu biolagunev plast, mis sarnaselt valkudele tugineb ka üksikute komponentide kokkuõmblemisele.

Praegu tugineb tehnoloogia ribosoomi taluvusele eksootiliste aminohapete suhtes, mis võib olla ettearvamatu. Järgmiseks soovib meeskond modifitseerida ribosoomi ennast, et paremini taluda kummalisi aminohappeid ja nende kandjaid. Samuti soovivad nad luua valgutaolisi materjale, mis on valmistatud täielikult sünteetilistest aminohapetest, mis võiksid suurendada eluskudede funktsiooni.

"Kui saaksite kodeerida laiendatud ehitusplokkide komplekti samamoodi nagu meie valke, siis saaksime muuta rakud elavateks tehasteks polümeeride kodeeritud sünteesiks kõige jaoks, alates uutest ravimitest kuni materjalideni." ütles Chin ühes varasemas intervjuus. "See on ülipõnev ala."

Image Credit: Riiklik allergia- ja nakkushaiguste instituut, riiklikud terviseinstituudid

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://singularityhub.com/2024/01/23/scientists-coax-bacteria-into-making-exotic-proteins-not-found-in-nature/