Scientists Coax Bacteria Into Making Exotic Proteins Not Found In Nature

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Narava ima določen recept za izdelavo beljakovin.

Trojčki črk DNK se prevedejo v 20 molekul, imenovanih aminokisline. Ti osnovni gradniki so nato različno nanizani v vrtoglavo paleto beljakovin, ki sestavljajo vsa živa bitja. Beljakovine tvorijo telesna tkiva, jih revitalizirajo, ko so poškodovana, in usmerjajo zapletene procese, ki ohranjajo notranje delovanje našega telesa kot dobro naoljeni stroji.

Preučevanje strukture in aktivnosti beljakovin lahko osvetli bolezni, spodbudi razvoj zdravil in nam pomaga razumeti kompleksne biološke procese, kot so tisti, ki delujejo v možganih ali staranje. Beljakovine postajajo bistvene tudi v nebioloških kontekstih, kot na primer pri proizvodnji podnebju prijaznih biogoriv.

Toda s samo 20 molekularnimi gradniki je evolucija v bistvu omejila, kaj zmorejo beljakovine. Kaj pa, če bi razširili besednjak narave?

Z inženiringom novih aminokislin, ki jih v naravi ne vidimo, in njihovo vključitvijo v žive celice bi lahko eksotični proteini naredili več. Na primer, dodajanje sintetičnih aminokislin zdravilom na osnovi beljakovin – kot so zdravila za imunoterapijo – bi lahko nekoliko prilagodilo njihovo strukturo, tako da bi v telesu zdržala dlje in so bolj učinkoviti. Nove beljakovine odpirajo tudi vrata novim kemičnim reakcijam, ki žvečijo plastiko ali lažje razgradljive materiale z različnimi lastnostmi.

Ampak obstaja problem. Eksotične aminokisline niso vedno združljive s celičnim strojem.

Nova študija in Narava, ki ga vodi strokovnjak za sintetično biologijo dr. Jason Chin iz Laboratorija za molekularno biologijo Sveta za medicinske raziskave v Cambridgeu v Veliki Britaniji, je sanje nekoliko približal. Z uporabo na novo razvitega molekularnega zaslona so našli in vstavili štiri eksotične aminokisline v beljakovino znotraj bakterijskih celic. Bakterije, priljubljene v industriji za proizvajanje insulina in drugih zdravil na osnovi beljakovin, so eksotične gradnike takoj sprejele za svoje.

Vse novo dodane komponente so drugačne od naravnih celic, kar pomeni, da dodatki niso ovirali normalnega delovanja celice.

"Velik dosežek je spraviti te nove kategorije aminokislin v beljakovine," dr. Chang Liu s kalifornijske univerze Irvine, ki ni bil del študije, Rekel Znanost.

Sintetični zastoj

Dodajanje eksotičnih aminokislin v živo bitje je nočna mora.

Predstavljajte si celico kot mesto z več »okraji«, ki opravljajo svoje funkcije. Jedro, oblikovano kot koščica marelice, hrani naš genetski načrt, zapisan v DNK. Zunaj jedra se proizvajajo tovarne za proizvodnjo beljakovin, imenovane ribosomi. Medtem prenašalci RNA brenčijo med obema kot hitri vlaki, ki prevažajo genetske informacije, ki se pretvorijo v beljakovine.

Tako kot DNK ima tudi RNK štiri molekularne črke. Vsaka kombinacija treh črk tvori "besedo", ki kodira aminokislino. Ribosom prebere vsako besedo in prikliče povezano aminokislino v tovarno z uporabo molekul prenosne RNA (tRNA), da jih zgrabi.

Molekule tRNA so narejene tako, da poberejo določene aminokisline z nekakšnim zelo specifičnim proteinskim "lepilom". Ko se aminokislina premesti v ribosom, se odtrga od njene nosilne molekule in sešije v aminokislinski niz, ki se zvije v zapletene oblike beljakovin.

Jasno je, da je evolucija vzpostavila prefinjen sistem za proizvodnjo beljakovin. Ni presenetljivo, da dodajanje sintetičnih komponent ni preprosto.

V 1980. letih prejšnjega stoletja Znanstveniki našel način za pritrditev sintetičnih aminokislin na nosilec v epruveti. V zadnjem času so vključeni nenaravne aminokisline v beljakovine znotraj bakterijskih celic tako, da ugrabijo njihove lastne notranje tovarne, ne da bi to vplivalo na normalno delovanje celic.

Poleg bakterij, Chin in sodelavci prej vdrla tRNA in njegovo ustrezno "lepilo" - imenovano tRNA sintetaza - za dodajanje eksotičnega proteina v mišje možganske celice.

Ponovno ožičenje celičnih strojev za gradnjo beljakovin, ne da bi jih porušili, zahteva občutljivo ravnovesje. Celica potrebuje modificirane nosilce tRNA, da zgrabi nove aminokisline in jih povleče do ribosoma. Ribosom mora nato sintetično aminokislino prepoznati kot svojo in jo sešiti v funkcionalni protein. Če se kateri koli korak spotakne, odpove inženirski biološki sistem.

Razširitev genetske kode

Nova študija se je osredotočila na prvi korak - izdelavo boljših nosilcev za eksotične aminokisline.

Ekipa je najprej mutirala gene za protein "lepilo" in ustvarila milijone možnih alternativnih različic. Vsaka od teh različic bi lahko potencialno zagrabila eksotične gradbene bloke.

Da bi zožili področje, so se obrnili na molekule tRNA, nosilke aminokislin. Vsak nosilec tRNA je bil označen z delčkom genetske kode, ki se je kot ribiški trnek pritrdila na mutirane beljakovine »lepila«. Prizadevanje je našlo osem obetavnih parov izmed milijonov potencialnih struktur. Drugi zaslon se je osredotočil na skupino "lepljivih" beljakovin, ki bi lahko zgrabile več vrst umetnih beljakovinskih gradnikov - vključno s tistimi, ki se zelo razlikujejo od naravnih.

Ekipa je nato vstavila gene, ki kodirajo te proteine Escherichia coli bakterijske celice, priljubljene za testiranje receptov sintetične biologije.

Na splošno je osem "lepljivih" proteinov uspešno naložilo eksotične aminokisline v bakterijske naravne stroje za izdelavo beljakovin. Številni sintetični gradniki so imeli nenavadne hrbtenične strukture, ki na splošno niso združljive z naravnimi ribosomi. Toda s pomočjo inženirstva tRNA in "lepilnih" beljakovin so ribosomi vključili štiri eksotične aminokisline v nove beljakovine.

Rezultati "razširjajo kemični obseg genetske kode" za izdelavo novih vrst materialov, je ekipa pojasnila v svojem prispevku.

Whole New World

Znanstveniki so našli že na stotine eksotičnih aminokislin. Modeli umetne inteligence, kot sta AlphaFold ali RoseTTAFold, in njihove različice bodo verjetno ustvarili še več. Iskanje nosilcev in "lepilnih" proteinov, ki se ujemajo, je bilo vedno ovira.

Nova študija vzpostavlja metodo za pospešitev iskanja novih oblikovalskih proteinov z nenavadnimi lastnostmi. Za zdaj lahko metoda vključuje samo štiri sintetične aminokisline. Toda znanstveniki že predvidevajo njihovo uporabo.

Proteinska zdravila, izdelana iz teh eksotičnih aminokislin, so oblikovana drugače kot njihovi naravni primerki, kar jih ščiti pred razpadom v telesu. To pomeni, da trajajo dlje, in zmanjša potrebo po večkratnih odmerkih. Podoben sistem bi lahko proizvedel nove materiale, kot je biorazgradljiva plastika, ki se podobno kot beljakovine prav tako opira na spajanje posameznih komponent.

Zaenkrat se tehnologija opira na toleranco ribosoma na eksotične aminokisline – kar je lahko nepredvidljivo. Nato želi ekipa spremeniti sam ribosom, da bi bolje prenašal čudne aminokisline in njihove nosilce. Prav tako želijo ustvariti beljakovinam podobne materiale, izdelane v celoti iz sintetičnih aminokislin, ki bi lahko povečali delovanje živih tkiv.

"Če bi lahko kodirali razširjen nabor gradnikov na enak način, kot lahko proteine, potem bi lahko celice spremenili v žive tovarne za kodirano sintezo polimerov za vse, od novih zdravil do materialov," je dejal Chin v prejšnjem intervjuju. "To je zelo razburljivo področje."

Kreditno slike: Nacionalni inštitut za alergije in nalezljive bolezni, Nacionalni inštitut za zdravje