Tutkijat houkuttelevat bakteereja valmistamaan eksoottisia proteiineja, joita ei löydy luonnosta

Luonnolla on resepti proteiinien valmistamiseksi.

DNA-kirjainten kolmiot muuttuvat 20 molekyyliksi, joita kutsutaan aminohapoiksi. Nämä perusrakennuspalikat yhdistetään sitten vaihtelevasti yhteen huimaa proteiinien joukkoon, joka muodostaa kaiken elävän. Proteiinit muodostavat kehon kudoksia, elvyttävät niitä vaurioituessaan ja ohjaavat monimutkaisia ​​prosesseja pitäen kehomme sisäisen toiminnan käynnissä kuin hyvin öljytyt koneet.

Proteiinien rakenteen ja toiminnan tutkiminen voi tuoda valoa sairauksiin, edistää lääkekehitystä ja auttaa meitä ymmärtämään monimutkaisia ​​biologisia prosesseja, kuten aivoissa toimivia tai ikääntymistä. Proteiinit ovat tulossa välttämättömiksi myös ei-biologisissa yhteyksissä, kuten esimerkiksi ilmastoystävällisten biopolttoaineiden valmistuksessa.

Kuitenkin vain 20 molekyylin rakennuspalikalla evoluutio asettaa rajan sille, mitä proteiinit voivat tehdä. Entä jos voisimme laajentaa luonnon sanavarastoa?

Suunnittelemalla uusia aminohappoja, joita ei nähdä luonnossa ja sisällyttämällä ne eläviin soluihin, eksoottiset proteiinit voisivat tehdä enemmän. Esimerkiksi synteettisten aminohappojen lisääminen proteiinipohjaisiin lääkkeisiin – kuten immuunihoitoon tarkoitettuihin – saattaa hieman muuttaa niiden rakennetta, jotta ne kestävät pidempään elimistössä ja ovat tehokkaampia. Uudet proteiinit avaavat oven myös uusille kemiallisille reaktioille, jotka pureskelevat muovia tai helpommin hajoavia materiaaleja, joilla on erilaiset ominaisuudet.

Mutta siinä on ongelma. Eksoottiset aminohapot eivät aina ole yhteensopivia solun koneiston kanssa.

Uusi tutkimus in luonto, jota johti synteettisen biologian asiantuntija tohtori Jason Chin Medical Research Councilin molekyylibiologian laboratoriosta Cambridgessa, Iso-Britanniassa, toi unelman hieman lähemmäs. Äskettäin kehitetyn molekyyliseulonnan avulla he löysivät ja lisäsivät neljä eksoottista aminohappoa proteiiniin bakteerisolujen sisällä. Teollinen suosikki insuliinia ja muita proteiinipohjaisia ​​lääkkeitä varten, bakteerit hyväksyivät helposti eksoottiset rakennuspalikat ominaan.

Kaikki äskettäin lisätyt komponentit eroavat solun luonnollisista, eli lisäykset eivät häirinneet solun normaalia toimintaa.

"On suuri saavutus saada nämä uudet aminohapporyhmät proteiineihin", tohtori Chang Liu Kalifornian yliopistosta, Irvine, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, kertoi tiede.

Synteettinen umpikuja

Eksoottisten aminohappojen lisääminen elävään olentoon on painajainen.

Kuvittele solu kaupunkina, jossa useat "piirit" suorittavat omat tehtävänsä. Aprikoosin kuopan muotoisessa ytimessä on DNA:han tallennettu geneettinen suunnitelmamme. Ytimen ulkopuolella proteiinia valmistavat tehtaat, joita kutsutaan ribosomeiksi, sammuvat. Samaan aikaan RNA-lähettimet sumisevat näiden kahden välillä, kuten suurnopeusjunat, jotka kuljettavat geneettistä tietoa proteiinien muuttamiseksi.

Kuten DNA:ssa, RNA:ssa on neljä molekyylikirjainta. Jokainen kolmen kirjaimen yhdistelmä muodostaa "sanan", joka koodaa aminohappoa. Ribosomi lukee jokaisen sanan ja kutsuu siihen liittyvän aminohapon tehtaalle käyttämällä siirto-RNA (tRNA) -molekyylejä tarttumaan niihin.

tRNA-molekyylit on räätälöity poimimaan tiettyjä aminohappoja eräänlaisella erittäin spesifisellä proteiini-"liimalla". Kun aminohappo on siirretty ribosomiin, se irrotetaan kantajamolekyylistään ja ommellaan aminohapponauhaksi, joka käpristyy monimutkaisiin proteiinimuotoihin.

On selvää, että evoluutio on luonut kehittyneen järjestelmän proteiinien valmistukseen. Ei ole yllättävää, että synteettisten komponenttien lisääminen ei ole yksinkertaista.

1980-luvulla tutkijat löysi tavan kiinnittää synteettiset aminohapot kantoaineeseen koeputken sisällä. Viime aikoina he ovat yhdistetty epäluonnollisia aminohappoja proteiineihin bakteerisolujen sisällä kaappaamalla niiden omat sisäiset tehtaansa vaikuttamatta normaaliin solun toimintaan.

Bakteerien lisäksi Chin ja kollegat aiemmin hakkeroitu tRNA ja sitä vastaava "liima" - nimeltään tRNA-syntetaasi - eksoottisen proteiinin lisäämiseksi hiiren aivosoluihin.

Solun proteiininrakennuskoneiston uudelleenjohdottaminen sitä rikkomatta vaatii herkkää tasapainoa. Solu tarvitsee modifioituja tRNA-kantajia tarttuakseen uusiin aminohappoihin ja vetääkseen ne ribosomiin. Ribosomin on sitten tunnistettava synteettinen aminohappo omakseen ja ommeltava se toiminnalliseksi proteiiniksi. Jos jompikumpi askel kompastuu, suunniteltu biologinen järjestelmä epäonnistuu.

Geneettisen koodin laajentaminen

Uusi tutkimus keskittyi ensimmäiseen vaiheeseen - parempien kantaja-aineiden kehittämiseen eksoottisille aminohapoille.

Ryhmä mutatoi ensin "liima"-proteiinin geenejä ja loi miljoonia mahdollisia vaihtoehtoisia versioita. Jokainen näistä vaihtoehdoista voisi tarttua eksoottisiin rakennuspalikoihin.

Alan kaventaakseen he kääntyivät tRNA-molekyyleihin, aminohappojen kantajiin. Jokainen tRNA:n kantaja oli merkitty pienellä geneettisellä koodilla, joka kiinnittyi mutatoituneisiin "liima"-proteiineihin kuin kalastuskoukku. Yritys löysi kahdeksan lupaavaa paria miljoonista mahdollisista rakenteista. Toinen näyttö nollasi ryhmän "liimaproteiineja", jotka voisivat tarttua useisiin keinotekoisiin proteiinirakennuspalikoihin - mukaan lukien ne, jotka eroavat suuresti luonnollisista.

Sitten ryhmä lisäsi näitä proteiineja koodaavia geenejä Escherichia coli bakteerisolut, suosikki synteettisen biologian reseptien testaamiseen.

Kaiken kaikkiaan kahdeksan "liima" -proteiinia lataa onnistuneesti eksoottisia aminohappoja bakteerien luonnolliseen proteiininvalmistuskoneistoon. Monilla synteettisillä rakennuspalikoilla oli outoja runkorakenteita, jotka eivät yleensä olleet yhteensopivia luonnollisten ribosomien kanssa. Mutta muokatun tRNA:n ja "liima" -proteiinien avulla ribosomit sisällyttivät neljä eksoottista aminohappoa uusiin proteiineihin.

Tulokset "laajentavat geneettisen koodin kemiallista soveltamisalaa" uudentyyppisten materiaalien valmistukseen, tiimi selitti paperissaan.

Whole New World

Tutkijat ovat jo löytäneet satoja eksoottisia aminohappoja. Tekoälymallit, kuten AlphaFold tai RoseTTAFold, ja niiden muunnelmat, tulevat todennäköisesti syntymään entistä enemmän. Yhteensopivien kantajien ja "liima" -proteiinien löytäminen on aina ollut tiesulkua.

Uusi tutkimus luo menetelmän nopeuttaa uusien suunnittelijaproteiinien etsintää, jolla on epätavallisia ominaisuuksia. Toistaiseksi menetelmä voi sisältää vain neljä synteettistä aminohappoa. Mutta tiedemiehet suunnittelevat jo niiden käyttöä.

Näistä eksoottisista aminohapoista valmistetut proteiinilääkkeet on muotoiltu eri tavalla kuin niiden luonnolliset vastineet, mikä suojaa niitä hajoamiselta kehon sisällä. Tämä tarkoittaa, että ne kestävät pidempään, ja se vähentää useiden annosten tarvetta. Samankaltainen järjestelmä voisi tuottaa uusia materiaaleja, kuten biohajoavaa muovia, joka proteiinien tapaan perustuu myös yksittäisten komponenttien ompelemiseen yhteen.

Toistaiseksi tekniikka perustuu ribosomin sietokykyyn eksoottisia aminohappoja kohtaan, mikä voi olla arvaamatonta. Seuraavaksi tiimi haluaa muokata itse ribosomia sietämään paremmin outoja aminohappoja ja niiden kantajia. He haluavat myös luoda proteiinin kaltaisia ​​materiaaleja, jotka on valmistettu kokonaan synteettisistä aminohapoista, jotka voisivat lisätä elävien kudosten toimintaa.

"Jos voisitte koodata laajennetun rakennuspalikoiden joukon samalla tavalla kuin me proteiineja, voisimme muuttaa soluista eläviä tehtaita polymeerien koodattua synteesiä varten uusista lääkkeistä materiaaleihin." sanoi Chin aikaisemmassa haastattelussa. "Se on erittäin jännittävä kenttä."

Kuva pistetilanne: National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institutes of Health

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2024/01/23/scientists-coax-bacteria-into-making-exotic-proteins-not-found-in-nature/