Forskere lokker bakterier til å lage eksotiske proteiner som ikke finnes i naturen

Forskere lokker bakterier til å lage eksotiske proteiner som ikke finnes i naturen

Tidsstempel: 23. januar 2024 2:11
Kilde node: 3081454

Naturen har en fast oppskrift for å lage proteiner.

Trillinger av DNA-bokstaver oversettes til 20 molekyler kalt aminosyrer. Disse grunnleggende byggesteinene blir deretter på forskjellige måter tredd sammen til det svimlende utvalget av proteiner som utgjør alle levende ting. Proteiner danner kroppsvev, revitaliserer dem når de blir skadet, og styrer de intrikate prosessene som holder kroppens indre funksjon i gang som velsmurte maskiner.

Å studere strukturen og aktiviteten til proteiner kan kaste lys over sykdom, drive medikamentutvikling og hjelpe oss å forstå komplekse biologiske prosesser, som de som jobber i hjernen eller aldring. Proteiner blir essensielle også i ikke-biologiske sammenhenger, som for eksempel ved produksjon av klimavennlig biodrivstoff.

Men med bare 20 molekylære byggesteiner, setter evolusjon i hovedsak en grense for hva proteiner kan gjøre. Så, hva om vi kunne utvide naturens ordforråd?

Ved å konstruere nye aminosyrer som ikke sees i naturen og inkorporere dem i levende celler, kan eksotiske proteiner gjøre mer. For eksempel kan tilsetning av syntetiske aminosyrer til proteinbaserte legemidler – som for immunterapi – justere strukturen deres litt slik at de varer lenger i kroppen og er mer effektive. Nye proteiner åpner også for nye kjemiske reaksjoner som tygger opp plast eller lettere nedbrytbare materialer med ulike egenskaper.

Men det er et problem. Eksotiske aminosyrer er ikke alltid kompatible med en celles maskineri.

En ny studie in Natur, ledet av syntetisk biologi-ekspert Dr. Jason Chin ved Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, Storbritannia, brakte drømmen litt nærmere. Ved hjelp av en nyutviklet molekylær skjerm fant de og satte inn fire eksotiske aminosyrer i et protein inne i bakterieceller. Bakteriene er en industriell favoritt for å kverne ut insulin og andre proteinbaserte medisiner, og aksepterte lett de eksotiske byggesteinene som sine egne.

Alle de nylig tilførte komponentene er forskjellige fra cellens naturlige, noe som betyr at tilleggene ikke forstyrret cellens normale funksjoner.

"Det er en stor prestasjon å få disse nye kategoriene av aminosyrer inn i proteiner," Dr. Chang Liu ved University of California, Irvine, som ikke var en del av studien, fortalte Vitenskap.

En syntetisk dødlås

Å legge til eksotiske aminosyrer i en levende ting er et mareritt.

Se for deg cellen som en by, med flere "distrikter" som utfører sine egne funksjoner. Kjernen, formet som gropen til en aprikos, huser vår genetiske blåkopi registrert i DNA. Utenfor kjernen kjerner proteinproduserende fabrikker kalt ribosomer bort. I mellomtiden surrer RNA-budbringere mellom de to som høyhastighetstog som transporterer genetisk informasjon som skal omdannes til proteiner.

I likhet med DNA har RNA fire molekylære bokstaver. Hver kombinasjon av tre bokstaver danner et "ord" som koder for en aminosyre. Ribosomet leser hvert ord og kaller den tilhørende aminosyren til fabrikken ved å bruke overførings-RNA (tRNA)-molekyler for å gripe dem.

tRNA-molekylene er skreddersydd for å plukke opp spesielle aminosyrer med et slags svært spesifikt protein-"lim". Når den er ført inn i ribosomet, plukkes aminosyren av bæremolekylet og sys sammen til en aminosyrestreng som krøller seg til intrikate proteinformer.

Det er klart at evolusjonen har etablert et sofistikert system for produksjon av proteiner. Ikke overraskende er det ikke enkelt å legge til syntetiske komponenter.

Tilbake på 1980-tallet, forskere funnet en måte å feste syntetiske aminosyrer til en bærer inne i et reagensrør. Nylig har de gjort det innlemmet unaturlige aminosyrer til proteiner inne i bakterieceller ved å kapre sine egne indre fabrikker uten å påvirke normal cellefunksjon.

Utover bakterier, Chin og kolleger tidligere hacket tRNA og dets tilsvarende "lim" - kalt tRNA-syntetase - for å legge et eksotisk protein inn i musehjerneceller.

Å omkoble cellens proteinbyggende maskineri, uten å bryte det, krever en delikat balanse. Cellen trenger modifiserte tRNA-bærere for å ta tak i nye aminosyrer og dra dem til ribosomet. Ribosomet må da gjenkjenne den syntetiske aminosyren som sin egen og sy den til et funksjonelt protein. Hvis et av trinnene snubler, svikter det konstruerte biologiske systemet.

Utvide den genetiske koden

Den nye studien fokuserte på det første trinnet - å utvikle bedre bærere for eksotiske aminosyrer.

Teamet muterte først gener for "lim"-proteinet og genererte millioner av potensielle alternative versjoner. Hver av disse variantene kan potensielt gripe tak i eksotiske byggeblokker.

For å begrense feltet, vendte de seg til tRNA-molekyler, bærerne av aminosyrer. Hver tRNA-bærer ble merket med en bit av genetisk kode som festet til muterte "lim"-proteiner som en fiskekrok. Innsatsen fant åtte lovende par av millioner av potensielle strukturer. En annen skjerm nullte på en gruppe "lim"-proteiner som kunne gripe tak i flere typer kunstige proteinbyggesteiner - inkludert de som er svært forskjellige fra naturlige.

Teamet satte deretter inn gener som koder for disse proteinene Escherichia coli bakterieceller, en favoritt for å teste syntetiske biologioppskrifter.

Totalt sett lastet åtte "lim"-proteiner eksotiske aminosyrer inn i bakterienes naturlige proteinproduksjonsmaskineri. Mange av de syntetiske byggesteinene hadde merkelige ryggradsstrukturer som vanligvis ikke var kompatible med naturlige ribosomer. Men ved hjelp av konstruert tRNA og "lim"-proteiner, inkorporerte ribosomene fire eksotiske aminosyrer i nye proteiner.

Resultatene "utvider det kjemiske omfanget av den genetiske koden" for å lage nye typer materialer, forklarte teamet i papiret deres.

A Whole New World

Forskere har allerede funnet hundrevis av eksotiske aminosyrer. AI-modeller som AlphaFold eller RoseTTAFold, og deres variasjoner, vil sannsynligvis gyte enda mer. Å finne bærere og "lim" proteiner som matcher har alltid vært en veisperring.

Den nye studien etablerer en metode for å fremskynde søket etter nye designerproteiner med uvanlige egenskaper. Foreløpig kan metoden bare inkludere fire syntetiske aminosyrer. Men forskere ser allerede for seg bruksområder for dem.

Proteinmedisiner laget av disse eksotiske aminosyrene er formet annerledes enn deres naturlige motstykker, og beskytter dem mot forfall inne i kroppen. Dette betyr at de varer lenger, og det reduserer behovet for flere doser. Et lignende system kan produsere nye materialer som biologisk nedbrytbar plast som, i likhet med proteiner, også er avhengig av å sy sammen individuelle komponenter.

Foreløpig er teknologien avhengig av ribosomets toleranse for eksotiske aminosyrer – noe som kan være uforutsigbart. Deretter ønsker teamet å modifisere selve ribosomet for å bedre tolerere rare aminosyrer og deres bærere. De er også ute etter å lage proteinlignende materialer laget fullstendig av syntetiske aminosyrer, som kan øke funksjonen til levende vev.

"Hvis du kunne kodet det utvidede settet med byggesteiner på samme måte som vi kan proteiner, så kunne vi gjøre celler om til levende fabrikker for kodet syntese av polymerer for alt fra nye medikamenter til materialer," sa Chin i et tidligere intervju. "Det er et superspennende felt."

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

Tidstempel:

Mer fra Singularity Hub