Oamenii de știință convinge bacteriile să producă proteine exotice care nu se găsesc în natură

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Natura are o rețetă stabilită pentru a face proteine.

Tripleții de litere ADN se traduc în 20 de molecule numite aminoacizi. Aceste blocuri de bază sunt apoi legate în mod diferit în gama amețitoare de proteine care formează toate ființele vii. Proteinele formează țesuturile corpului, le revitalizează atunci când sunt deteriorate și direcționează procesele complicate menținând funcționarea interioară a corpului nostru ca niște mașini bine unse.

Studierea structurii și activității proteinelor poate face lumină asupra bolilor, poate propulsa dezvoltarea medicamentelor și ne poate ajuta să înțelegem procesele biologice complexe, cum ar fi cele care lucrează în creier sau îmbătrânirea. Proteinele devin esențiale și în contexte non-biologice, cum ar fi, de exemplu, în fabricarea de biocombustibili ecologici.

Cu toate acestea, cu doar 20 de blocuri moleculare, evoluția pune, în esență, o limită a ceea ce pot face proteinele. Deci, ce se întâmplă dacă am putea extinde vocabularul naturii?

Prin proiectarea de noi aminoacizi nevăzuți în natură și încorporarea lor în celulele vii, proteinele exotice ar putea face mai mult. De exemplu, adăugarea de aminoacizi sintetici la medicamentele pe bază de proteine, cum ar fi cele pentru imunoterapie, le-ar putea modifica ușor structura, astfel încât să reziste mai mult în organism și sunt mai eficiente. De asemenea, proteinele noi deschid ușa către noi reacții chimice care mestecă materiale plastice sau materiale mai ușor degradabile cu proprietăți diferite.

Dar există o problemă. Aminoacizii exotici nu sunt întotdeauna compatibili cu mașinile unei celule.

Un nou studiu in Natură, condus de expertul în biologie sintetică Dr. Jason Chin de la Laboratorul de Biologie Moleculară a Consiliului de Cercetare Medicală din Cambridge, Marea Britanie, a adus visul un pic mai aproape. Folosind un ecran molecular nou dezvoltat, ei au găsit și au introdus patru aminoacizi exotici într-o proteină din interiorul celulelor bacteriene. Un favorit industrial pentru producerea de insulină și alte medicamente pe bază de proteine, bacteriile au acceptat cu ușurință blocurile exotice ca fiind proprii.

Toate componentele nou adăugate sunt diferite de cele naturale ale celulei, ceea ce înseamnă că adaosurile nu au interferat cu funcțiile normale ale celulei.

„Este o mare realizare să transformăm aceste noi categorii de aminoacizi în proteine”, dr. Chang Liu de la Universitatea din California, Irvine, care nu a făcut parte din studiu, a spus Ştiinţă.

Un impas sintetic

Adăugarea de aminoacizi exotici într-o ființă vie este un coșmar.

Imaginează-ți celula ca un oraș, cu mai multe „districte” care își îndeplinesc propriile funcții. Nucleul, în formă de sâmbure de caise, găzduiește modelul nostru genetic înregistrat în ADN. În afara nucleului, fabricile de producere a proteinelor numite ribozomi dispar. Între timp, mesagerii ARN bâzâie între cei doi ca niște trenuri de mare viteză care transportă informațiile genetice pentru a fi transformate în proteine.

La fel ca ADN-ul, ARN-ul are patru litere moleculare. Fiecare combinație de trei litere formează un „cuvânt” care codifică un aminoacid. Ribozomul citește fiecare cuvânt și cheamă aminoacidul asociat în fabrică folosind molecule de ARN de transfer (ARNt) pentru a le apuca.

Moleculele de ARNt sunt adaptate pentru a prelua anumiți aminoacizi cu un fel de „clei” proteic foarte specific. Odată transferat în ribozom, aminoacidul este smuls din molecula purtătoare și cusut într-un șir de aminoacizi care se ondulează în forme complicate de proteine.

În mod clar, evoluția a stabilit un sistem sofisticat pentru fabricarea proteinelor. Nu este surprinzător, adăugarea de componente sintetice nu este simplă.

În anii '1980, oamenii de stiinta a găsit o modalitate de a atașa aminoacizii sintetici la un purtător în interiorul unei eprubete. Mai recent, au încorporate aminoacizi nenaturali în proteine din interiorul celulelor bacteriene prin deturnarea propriilor fabrici interioare fără a afecta funcția normală a celulelor.

Dincolo de bacterii, Chin și colegii anteriori ARNt piratat și „cleiul” corespunzător – numit tARN sintetază – pentru a adăuga o proteină exotică în celulele creierului de șoarece.

Recablarea mașinilor de construcție a proteinelor celulei, fără a o rupe, necesită un echilibru delicat. Celula are nevoie de purtători de ARNt modificați pentru a lua noi aminoacizi și a-i trage în ribozom. Ribozomul trebuie apoi să recunoască aminoacidul sintetic ca fiind al său și să-l cuseze într-o proteină funcțională. Dacă oricare dintre etape se poticnește, sistemul biologic proiectat eșuează.

Extinderea Codului Genetic

Noul studiu s-a concentrat pe primul pas - proiectarea de purtători mai buni pentru aminoacizi exotici.

Echipa a mutat mai întâi genele pentru proteina „clei” și a generat milioane de versiuni alternative potențiale. Fiecare dintre aceste variante ar putea să se prindă de blocuri de clădiri exotice.

Pentru a restrânge câmpul, au apelat la moleculele de ARNt, purtătorii de aminoacizi. Fiecare purtător de ARNt a fost etichetat cu un pic de cod genetic care s-a atașat la proteinele „clei” mutante, precum un cârlig de pescuit. Efortul a găsit opt perechi promițătoare din milioane de structuri potențiale. Un alt ecran s-a concentrat asupra unui grup de proteine „lipici” care s-ar putea prinde de mai multe tipuri de blocuri de proteine artificiale – inclusiv cele foarte diferite de cele naturale.

Echipa a introdus apoi gene care codifică aceste proteine în Escherichia coli celule bacteriene, un favorit pentru testarea rețetelor de biologie sintetică.

În general, opt proteine „clei” au încărcat cu succes aminoacizi exotici în mașinile naturale de producere a proteinelor ale bacteriilor. Multe dintre blocurile de construcție sintetice aveau structuri de coloană vertebrală ciudate, care nu sunt în general compatibile cu ribozomii naturali. Dar cu ajutorul tARN-ului și proteinelor „clei”, ribozomii au încorporat patru aminoacizi exotici în noi proteine.

Rezultatele „extinde domeniul chimic al codului genetic” pentru realizarea de noi tipuri de materiale, a explicat echipa în lucrarea lor.

O intreaga noua lume

Oamenii de știință au descoperit deja sute de aminoacizi exotici. Modelele AI, cum ar fi AlphaFold sau RoseTTAFold, și variațiile acestora, sunt susceptibile să apară și mai mult. Găsirea purtătorilor și a proteinelor „clei” care se potrivesc a fost întotdeauna un obstacol.

Noul studiu stabilește o metodă de a accelera căutarea de noi proteine de design cu proprietăți neobișnuite. Deocamdată, metoda poate include doar patru aminoacizi sintetici. Dar oamenii de știință își imaginează deja utilizări pentru ele.

Medicamentele proteice făcute din acești aminoacizi exotici au o formă diferită față de omologii lor naturali, protejându-le de degradare în interiorul corpului. Aceasta înseamnă că durează mai mult și reduce nevoia de doze multiple. Un sistem similar ar putea produce noi materiale, cum ar fi plasticul biodegradabil, care, similar proteinelor, se bazează, de asemenea, pe îmbinarea componentelor individuale.

Deocamdată, tehnologia se bazează pe toleranța ribozomilor la aminoacizi exotici, care poate fi imprevizibilă. Apoi, echipa vrea să modifice ribozomul în sine pentru a tolera mai bine aminoacizii ciudați și purtătorii lor. Ei caută, de asemenea, să creeze materiale asemănătoare proteinelor, făcute complet din aminoacizi sintetici, care ar putea crește funcția țesuturilor vii.

„Dacă ai putea codifica setul extins de blocuri de construcție în același mod în care putem noi proteinele, atunci am putea transforma celulele în fabrici vii pentru sinteza codificată a polimerilor pentru orice, de la medicamente noi la materiale.” a spus Chin într-un interviu anterior. „Este un domeniu super-incitant.”

Credit imagine: Institutul Național de Alergie și Boli Infecțioase, Institutul Național de Sănătate