De natuur heeft een vast recept voor het maken van eiwitten.

Tripletten van DNA-letters vertalen zich in twintig moleculen die aminozuren worden genoemd. Deze basisbouwstenen worden vervolgens op verschillende manieren aan elkaar geregen tot de duizelingwekkende reeks eiwitten waaruit alle levende wezens bestaan. Eiwitten vormen lichaamsweefsels, revitaliseren ze wanneer ze beschadigd zijn, en sturen de ingewikkelde processen aan die ervoor zorgen dat de innerlijke werking van ons lichaam als goed geoliede machines blijft functioneren.

Het bestuderen van de structuur en activiteit van eiwitten kan licht werpen op ziekten, de ontwikkeling van medicijnen stimuleren en ons helpen complexe biologische processen te begrijpen, zoals die in de hersenen of veroudering. Eiwitten worden ook essentieel in niet-biologische contexten, zoals bijvoorbeeld bij de productie van klimaatvriendelijke biobrandstoffen.

Maar met slechts twintig moleculaire bouwstenen stelde de evolutie in wezen een grens aan wat eiwitten kunnen doen. Dus wat als we de woordenschat van de natuur zouden kunnen uitbreiden?

Door nieuwe aminozuren te ontwikkelen die niet in de natuur voorkomen en deze in levende cellen op te nemen, zouden exotische eiwitten meer kunnen doen. Het toevoegen van synthetische aminozuren aan op eiwitten gebaseerde medicijnen, zoals die voor immunotherapie, zou bijvoorbeeld hun structuur enigszins kunnen aanpassen, zodat ze langer in het lichaam blijven en langer meegaan. zijn effectiever. Nieuwe eiwitten openen ook de deur voor nieuwe chemische reacties die kunststoffen of gemakkelijker afbreekbare materialen met verschillende eigenschappen opeten.

Maar er is een probleem. Exotische aminozuren zijn niet altijd compatibel met de machinerie van een cel.

Een nieuwe studie in NATUUR, geleid door expert op het gebied van synthetische biologie Dr. Jason Chin van het Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, VK, bracht de droom een ​​beetje dichterbij. Met behulp van een nieuw ontwikkelde moleculaire screening hebben ze vier exotische aminozuren gevonden en ingebracht in een eiwit in bacteriecellen. Een industriële favoriet voor het produceren van insuline en andere op eiwitten gebaseerde medicijnen, de bacteriën accepteerden de exotische bouwstenen gemakkelijk als hun eigendom.

Alle nieuw toegevoegde componenten verschillen van de natuurlijke componenten van de cel, wat betekent dat de toevoegingen de normale functies van de cel niet verstoorden.

“Het is een grote prestatie om deze nieuwe categorieën aminozuren in eiwitten om te zetten”, zegt Dr. Chang Liu van de Universiteit van Californië, Irvine, die geen deel uitmaakte van het onderzoek, vertelde Wetenschap.

Een synthetische impasse

Het toevoegen van exotische aminozuren aan een levend wezen is een nachtmerrie.

Stel je de cel voor als een stad, met meerdere ‘districten’ die hun eigen functies vervullen. De kern, die de vorm heeft van de pit van een abrikoos, herbergt onze genetische blauwdruk, vastgelegd in DNA. Buiten de kern draaien eiwitproducerende fabrieken, ribosomen genaamd, weg. Ondertussen zoemen RNA-boodschappers tussen de twee als hogesnelheidstreinen die genetische informatie vervoeren die in eiwitten moet worden omgezet.

Net als DNA heeft RNA vier moleculaire letters. Elke combinatie van drie letters vormt een ‘woord’ dat codeert voor een aminozuur. Het ribosoom leest elk woord en roept het bijbehorende aminozuur naar de fabriek met behulp van transfer-RNA (tRNA)-moleculen om zich eraan vast te grijpen.

De tRNA-moleculen zijn op maat gemaakt om bepaalde aminozuren op te pikken met een soort zeer specifieke eiwit-‘lijm’. Eenmaal in het ribosoom terechtgekomen, wordt het aminozuur van zijn dragermolecuul geplukt en in een aminozuurstreng genaaid die zich in ingewikkelde eiwitvormen opkrult.

Het is duidelijk dat de evolutie een geavanceerd systeem heeft ontwikkeld voor de productie van eiwitten. Het is niet verrassend dat het toevoegen van synthetische componenten niet eenvoudig is.

In de jaren 1980, wetenschappers een manier gevonden om synthetische aminozuren aan een drager in een reageerbuis te hechten. Meer recentelijk hebben ze dat ook gedaan opgenomen onnatuurlijke aminozuren worden omgezet in eiwitten in bacteriecellen door hun eigen innerlijke fabrieken te kapen zonder de normale celfunctie te beïnvloeden.

Beyond bacteriën, Chin en collega's eerder gehackt tRNA en de bijbehorende ‘lijm’ – tRNA-synthetase genoemd – om een ​​exotisch eiwit aan de hersencellen van muizen toe te voegen.

Het opnieuw bedraden van de eiwitopbouwende machines van de cel, zonder deze te verbreken, vergt een delicaat evenwicht. De cel heeft gemodificeerde tRNA-dragers nodig om nieuwe aminozuren te pakken en naar het ribosoom te slepen. Het ribosoom moet het synthetische aminozuur dan als zijn eigen aminozuur herkennen en er een functioneel eiwit van maken. Als een van beide stappen mislukt, faalt het kunstmatige biologische systeem.

Het uitbreiden van de genetische code

De nieuwe studie concentreerde zich op de eerste stap: het ontwikkelen van betere dragers voor exotische aminozuren.

Het team muteerde eerst de genen voor het ‘lijm’-eiwit en genereerde miljoenen potentiële alternatieve versies. Elk van deze varianten zou zich potentieel aan exotische bouwblokken kunnen vastgrijpen.

Om het veld te verkleinen, wendden ze zich tot tRNA-moleculen, de dragers van aminozuren. Elke tRNA-drager werd getagd met een stukje genetische code dat zich als een vishaak aan gemuteerde ‘lijm’-eiwitten hechtte. De inspanning vond acht veelbelovende paren uit miljoenen potentiële structuren. Een ander onderzoek richtte zich op een groep ‘lijm’-eiwitten die zich konden vasthechten aan meerdere soorten kunstmatige eiwitbouwstenen, inclusief die welke sterk verschilden van natuurlijke.

Het team heeft vervolgens genen ingevoegd die voor deze eiwitten coderen Escherichia coli bacteriecellen, een favoriet voor het testen van recepten voor synthetische biologie.

In totaal hebben acht “lijm”-eiwitten met succes exotische aminozuren in de natuurlijke eiwitproductiemachines van de bacterie geladen. Veel van de synthetische bouwstenen hadden vreemde ruggengraatstructuren die over het algemeen niet compatibel waren met natuurlijke ribosomen. Maar met behulp van gemanipuleerd tRNA en ‘lijm’-eiwitten hebben de ribosomen vier exotische aminozuren in nieuwe eiwitten opgenomen.

De resultaten “verruimen de chemische reikwijdte van de genetische code” voor het maken van nieuwe soorten materialen, legde het team uit in hun artikel.

A Whole New World

Wetenschappers hebben al honderden exotische aminozuren gevonden. AI-modellen zoals AlphaFold of RoseTTAFold, en hun varianten, zullen waarschijnlijk nog meer spawnen. Het vinden van dragers en ‘lijm’-eiwitten die bij elkaar passen, is altijd een obstakel geweest.

De nieuwe studie ontwikkelt een methode om de zoektocht naar nieuwe designereiwitten met ongebruikelijke eigenschappen te versnellen. Voorlopig kan de methode slechts vier synthetische aminozuren bevatten. Maar wetenschappers bedenken al toepassingen voor hen.

Eiwitgeneesmiddelen gemaakt van deze exotische aminozuren hebben een andere vorm dan hun natuurlijke tegenhangers, waardoor ze worden beschermd tegen bederf in het lichaam. Dit betekent dat ze langer meegaan, en het vermindert de behoefte aan meerdere doses. Een soortgelijk systeem zou nieuwe materialen kunnen opleveren, zoals biologisch afbreekbaar plastic dat, net als eiwitten, ook afhankelijk is van het aan elkaar naaien van afzonderlijke componenten.

Voorlopig is de technologie afhankelijk van de tolerantie van het ribosoom voor exotische aminozuren, wat onvoorspelbaar kan zijn. Vervolgens wil het team het ribosoom zelf aanpassen om vreemde aminozuren en hun dragers beter te verdragen. Ze willen ook eiwitachtige materialen maken die volledig uit synthetische aminozuren bestaan ​​en die de functie van levende weefsels zouden kunnen verbeteren.

“Als je de uitgebreide reeks bouwstenen op dezelfde manier zou kunnen coderen als eiwitten, dan zouden we cellen kunnen veranderen in levende fabrieken voor de gecodeerde synthese van polymeren voor alles, van nieuwe medicijnen tot materialen,” zei Chin in een eerder interview. “Het is een superspannend vakgebied.”

Krediet van het beeld: Nationaal Instituut voor Allergie en Infectieziekten, National Institutes of Health

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2024/01/23/scientists-coax-bacteria-into-making-exotic-proteins-not-found-in-nature/