Wissenschaftler überzeugen Bakterien, exotische Proteine ​​zu produzieren, die in der Natur nicht vorkommen

By | January 24, 2024

Die Natur hat ein definiertes Rezept zur Herstellung von Proteinen.

Tripletts von DNA-Buchstaben werden in 20 Moleküle übersetzt, die Aminosäuren genannt werden. Diese Grundbausteine ​​werden dann auf verschiedene Weise zu der schwindelerregenden Vielfalt an Proteinen verbunden, aus denen alle Lebewesen bestehen. Proteine ​​bilden das Körpergewebe, revitalisieren es bei Beschädigung und steuern die komplizierten Prozesse, die das Innenleben unseres Körpers wie gut geölte Maschinen am Laufen halten.

Die Untersuchung der Struktur und Aktivität von Proteinen kann Aufschluss über Krankheiten geben, die Entwicklung von Medikamenten vorantreiben und uns helfen, komplexe biologische Prozesse zu verstehen, wie sie beispielsweise im Gehirn oder beim Altern ablaufen. Proteine ​​werden auch in nichtbiologischen Zusammenhängen immer wichtiger, beispielsweise bei der Herstellung umweltfreundlicher Biokraftstoffe.

Mit nur 20 molekularen Bausteinen hat die Evolution den Möglichkeiten von Proteinen jedoch grundsätzlich Grenzen gesetzt. Was wäre, wenn wir den Wortschatz der Natur erweitern könnten?

Durch die Entwicklung neuer Aminosäuren, die in der Natur nicht vorkommen, und deren Einbau in lebende Zellen könnten exotische Proteine ​​mehr leisten. Beispielsweise kann der Zusatz synthetischer Aminosäuren zu proteinbasierten Arzneimitteln – beispielsweise solchen, die für die Immuntherapie vorgesehen sind – deren Struktur leicht verändern, sodass sie länger im Körper verbleiben und wirksamer sind. Neue Proteine ​​öffnen auch die Tür zu neuen chemischen Reaktionen, die Kunststoffe oder leichter abbaubare Materialien mit anderen Eigenschaften zerstören.

Aber es gibt ein Problem. Exotische Aminosäuren sind nicht immer mit der Zellmaschinerie kompatibel.

Eine neue Studie in NaturUnter der Leitung des Experten für synthetische Biologie Dr. Jason Chin vom Molecular Biology Laboratory des Medical Research Council in Cambridge, Großbritannien, hat der Traum einen Schritt näher gebracht. Mit einem neu entwickelten molekularen Screening fanden sie vier exotische Aminosäuren und fügten sie in ein Protein in Bakterienzellen ein. Als industrieller Favorit für die Herstellung von Insulin und anderen proteinbasierten Medikamenten akzeptierten Bakterien die exotischen Bausteine ​​bereitwillig als ihre eigenen.

Alle neu hinzugefügten Bestandteile unterscheiden sich von den natürlichen Bestandteilen der Zelle, was bedeutet, dass die Zusätze die normalen Funktionen der Zelle nicht beeinträchtigten.

„Es ist eine große Leistung, diese neuen Kategorien von Aminosäuren in Proteine ​​umzuwandeln“, sagte Dr. Chang Liu von der University of California, Irvine, der nicht an der Studie beteiligt war. Wissenschaft.

Eine synthetische Sackgasse

Einem Lebewesen exotische Aminosäuren hinzuzufügen, ist ein Albtraum.

Stellen Sie sich die Zelle als eine Stadt vor, in der mehrere „Bezirke“ ihre eigenen Funktionen erfüllen. Der Kern hat die Form eines Aprikosenkerns und beherbergt unser genetisches Modell, das in der DNA aufgezeichnet ist. Außerhalb des Zellkerns gibt es proteinproduzierende Fabriken, sogenannte Ribosomen. Unterdessen pendeln RNA-Boten zwischen den beiden hin und her wie Hochgeschwindigkeitszüge, die genetische Informationen transportieren, die in Proteine ​​umgewandelt werden sollen.

Genau wie DNA hat RNA vier molekulare Buchstaben. Jede Kombination aus drei Buchstaben bildet ein „Wort“, das für eine Aminosäure kodiert. Das Ribosom liest jedes Wort und ruft die zugehörige Aminosäure mithilfe von Transfer-RNA-Molekülen (tRNA) zur Fabrik, um sie zu greifen.

tRNA-Moleküle sind maßgeschneidert, um bestimmte Aminosäuren mit einer Art hochspezifischem Protein-„Kleber“ einzufangen. Nach dem Transport zum Ribosom wird die Aminosäure von ihrem Trägermolekül losgerissen und zu einer Aminosäurekette zusammengefügt, die sich zu komplizierten Proteinformen windet.

Offensichtlich hat die Evolution ein ausgeklügeltes System zur Herstellung von Proteinen etabliert. Es überrascht nicht, dass das Hinzufügen synthetischer Komponenten nicht einfach ist.

In den 1980er Jahren entdeckten Wissenschaftler eine Möglichkeit, synthetische Aminosäuren an einen Träger in einem Reagenzglas zu binden. In jüngerer Zeit haben sie unnatürliche Aminosäuren in Proteine ​​in Bakterienzellen eingebaut und so deren eigene interne Fabriken gekapert, ohne die normale Zellfunktion zu beeinträchtigen.

Zusätzlich zu Bakterien haben Chin und Kollegen nun auch tRNA und den dazugehörigen „Klebstoff“ – die sogenannte tRNA-Synthetase – gehackt, um den Gehirnzellen von Mäusen ein exotisches Protein hinzuzufügen.

Um die Proteinbildungsmaschinerie der Zelle neu zu verdrahten, ohne sie zu zerstören, ist ein empfindliches Gleichgewicht erforderlich. Die Zelle benötigt modifizierte tRNA-Transporter, um neue Aminosäuren einzufangen und zum Ribosom zu transportieren. Das Ribosom muss dann die synthetische Aminosäure als seine eigene erkennen und sie zu einem funktionellen Protein zusammenbauen. Wenn einer der Schritte fehlschlägt, wird das konstruierte biologische System scheitern.

Erweiterung des genetischen Codes

Die neue Studie konzentrierte sich auf den ersten Schritt: die Entwicklung besserer Transporter für exotische Aminosäuren.

Das Team mutierte zunächst die Gene für das „Kleber“-Protein und generierte Millionen potenzieller alternativer Versionen. Jede dieser Varianten könnte potenziell an exotische Bausteine ​​anknüpfen.

Um das Feld einzugrenzen, wandten sie sich tRNA-Molekülen zu, den Aminosäuretransportern. Jeder tRNA-Träger war mit einem Stück genetischen Codes markiert, der sich wie ein Angelhaken an mutierte „Klebstoffproteine“ heftete. Die Bemühungen fanden acht vielversprechende Paare unter Millionen potenzieller Strukturen. Eine weitere Analyse konzentrierte sich auf eine Gruppe „geklebter“ Proteine, die an verschiedenen Arten künstlicher Proteinbausteine ​​haften könnten – auch solchen, die sich stark von natürlichen unterscheiden.

Anschließend fügte das Team Gene ein, die diese Proteine ​​codieren Escherichia coli Bakterienzellen, beliebt zum Testen von Rezepten der synthetischen Biologie.

Insgesamt haben acht „klebrige“ Proteine ​​erfolgreich exotische Aminosäuren in die natürliche Proteinproduktionsmaschinerie der Bakterien geladen. Viele der synthetischen Bausteine ​​hatten seltsame Strukturen, die oft nicht mit natürlichen Ribosomen kompatibel waren. Doch mit Hilfe modifizierter tRNA und „Kleber“-Proteinen bauten Ribosomen vier exotische Aminosäuren in neue Proteine ​​ein.

Die Ergebnisse „erweitern den chemischen Umfang des genetischen Codes“, um neue Arten von Materialien herzustellen, erklärte das Team in seiner Arbeit.

Eine ganz neue Welt

Wissenschaftler haben bereits Hunderte exotische Aminosäuren gefunden. KI-Modelle wie AlphaFold oder RoseTTAFold und ihre Variationen werden wahrscheinlich noch mehr generieren. Es war schon immer eine Hürde, passende Transporter und „klebrige“ Proteine ​​zu finden.

Die neue Studie etabliert eine Methode, um die Suche nach neuen manipulierten Proteinen mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu beschleunigen. Derzeit kann die Methode nur vier synthetische Aminosäuren integrieren. Aber Wissenschaftler sagen bereits Verwendungsmöglichkeiten für sie voraus.

Aus diesen exotischen Aminosäuren hergestellte Proteinarzneimittel haben eine andere Form als ihre natürlichen Gegenstücke und schützen so vor dem Abbau im Körper. Dies bedeutet, dass sie länger anhalten und die Notwendigkeit mehrerer Dosen verringert wird. Ein ähnliches System könnte neue Materialien hervorbringen, etwa biologisch abbaubaren Kunststoff, der wie Proteine ​​auch auf die Verbindung einzelner Komponenten angewiesen ist.

Derzeit hängt die Technologie von der Toleranz des Ribosoms gegenüber exotischen Aminosäuren ab – was unvorhersehbar sein kann. Als nächstes möchte das Team das Ribosom selbst modifizieren, um fremde Aminosäuren und ihre Transporter besser zu vertragen. Sie wollen außerdem proteinähnliche Materialien herstellen, die vollständig aus synthetischen Aminosäuren bestehen und die Funktion lebender Gewebe verbessern könnten.

„Wenn wir den erweiterten Satz an Bausteinen auf die gleiche Weise kodieren könnten wie Proteine, dann könnten wir Zellen in lebende Fabriken für die kodierte Synthese von Polymeren für alles verwandeln, von neuen Medikamenten bis hin zu Materialien“, sagte Chin in einem früheren Interview. „Es ist ein super spannendes Feld.“

Bildnachweis: National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institutes of Health

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