Onze oude vriend Saccharomyces cerevisiae – de gist die mensen al duizenden jaren helpt bij het bakken van brood en het brouwen van bier – heeft zojuist zijn seksleven opgewaardeerd.

Bio-ingenieurs van de Universiteit van Washington hebben de paargewoonten van dit eencellige organisme opnieuw geprogrammeerd. de schimmel erop laten komen als nooit tevoren. Het resultaat? Een seksuele revolutie die wetenschappers zou kunnen leiden naar veiligere toekomstige medicijnen.

Gist als proefkonijn

We vertrouwen al op gist voor veel meer dan alleen gefermenteerd voedsel. Veel van ons moderne begrip van genetica en celbiologie is afkomstig van zorgvuldige studie en manipulatie van de schimmel.

Wetenschappers en medicijnontwerpers werken graag met gist vanwege de snelle celcyclus (elke 90 minuten wordt een nieuwe generatie geboren) en het relatieve gemak waarmee de genen kunnen worden aangepast. Zelfs menselijke genen en genen die coderen voor op eiwitten gebaseerde medicijnen kunnen worden gesplitst, waardoor onderzoekers ze in het laboratorium in detail kunnen bestuderen. Op deze manier zijn geneesmiddelen tegen kanker geoptimaliseerd.

Een van de meest populaire technieken voor dit soort biomoleculair onderzoek staat bekend als gistoppervlakteweergave. Met behulp van deze methode, een gen kan aan gist worden toegevoegd en het eiwit dat daaruit voortvloeit, verschijnt op het gemakkelijk toegankelijke buitenoppervlak van de cel. Met een nieuw eiwit op het oppervlak, onderzoekers kunnen gemakkelijk bepalen met welke andere biomoleculen het eiwit interageert.

Deze methode, pionierde in het laboratorium van Dane Wittrup, exploiteert aspecten van de seksuele machinerie van de schimmel.

Ja, zelfs eencellige microben kunnen seks hebben. Maar zoals zo vaak buiten het dierenrijk, de manier waarop DNA wordt verwisseld, kan voor menselijke waarnemers ongebruikelijk lijken.

Schimmelontucht

De termen "mannelijk" en "vrouwelijk" zijn niet echt van toepassing op ontluikende gist. In plaats van sperma of eieren te vormen, de geslachtscellen van gist zien er allemaal hetzelfde uit - als kleine, eencellige blobs. Wat ervoor zorgt dat twee gistblobs zich seksueel kunnen voortplanten, zijn hun zogenaamde paringstypes.

De eiwitten die de buitenkant van een gistgeslachtscel versieren, of gameet, het paringstype van die cel bepalen. Trek kopieën van één eiwit aan en je bent één paringstype; verwissel ze voor een ander eiwit en je bent de andere. Agglutinatie (de unsexy term voor gistgeslacht) vindt alleen plaats wanneer de oppervlakte-eiwitten van gistgameten van tegengestelde paringstypes op elkaar inwerken.

Geïnspireerd door deze moleculaire precisie, een team van synthetische biologen onder leiding van David Younger, afgestudeerde student van de Universiteit van Washington, realiseerde zich dat ze het natuurlijke paringssysteem van gist konden omzetten in een nieuw hulpmiddel waarmee ze moleculaire interacties op veel grotere schaal nauwkeurig konden meten.

Hoewel klein en moeilijk te meten, moleculaire interacties zijn een groot probleem bij het ontwerpen van geneesmiddelen. Vrijwel elk medicijn werkt via specifieke interacties met zijn doelwit, en medicijnen die binden waar ze niet zouden moeten zijn, kunnen dodelijk zijn.

Sommige experts geven de schuld aan off-target interacties voor de mislukte fase III klinische studie van vorig jaar met revusiran van Alnylam Pharmaceuticals, een RNA-medicijn ontworpen om een ​​zeldzame hartziekte te behandelen. Negentien mensen stierven voordat het proces werd afgeblazen, en de aandelen van het bedrijf kregen een klap van 3 miljard dollar.

Uitzoeken of een nieuw medicijn bindt wat het zou moeten doen, is relatief eenvoudig; uitzoeken of het iets anders in onze cellen bindt, is moeilijk. Gevestigde laboratoriumtechnieken zoals gistoppervlakteweergave hebben wetenschappers geholpen nieuwe medicijnen te screenen op potentieel gevaarlijke off-target interacties voordat ze klinische proeven bereiken, maar met die techniek kun je slechts één voor één naar interacties buiten het doel zoeken. Younger's team bedacht een manier om honderden medicijnen te testen tegen duizenden potentiële doelwitten, allemaal door gistseks opnieuw te ontwerpen.

Gistgeslacht opnieuw ontwerpen met meerdere paringstypes

Beginnen, Younger had een manier nodig om de paringsefficiëntie van in het laboratorium gekweekte gist nauwkeurig te meten. Perfecte efficiëntie zou betekenen dat elke cel die zou kunnen fuseren dit zou doen. Hoe efficiënter de paring, hoe beter de twee paringstypes overeenkwamen.

Het team koppelde genetisch gecodeerde fluorescerende markers - een blauwe, een rode - voor elk van de natuurlijke paringssoorten met gist. Dat maakte het eenvoudig om de paringsefficiëntie voor een hele gistpopulatie te meten:ze konden gewoon de cellen tellen die blauw of rood bleven (ongepaard) versus die paars werden (gekoppeld). Het blijkt dat typische gist die in het laboratorium wordt gekweekt, paring efficiëntie is ongeveer 60 procent.

Het team verwijderde vervolgens de natuurlijke agglutinatie-eiwitten en verving ze door een paar vreemde eiwitten waarvan bekend is dat ze zwak interageren. De paringsefficiëntie zakte vertienvoudigd tot 5,7 procent. Ze wisselden in een ander paar en zagen het stijgen tot 19 procent. Toen ze een derde paar eiwitten probeerden waarvan bekend is dat ze interageren met een veel hogere affiniteit, paringsefficiëntie steeg tot 51,6 procent - dicht bij wat werd waargenomen bij natuurlijke agglutinatie.

Gewoon door de paringsefficiëntie te volgen, het team kon zien hoe sterk twee eiwitmoleculen op elkaar inwerken. Toen ze een paar eiwitten controleerden die helemaal niet zouden moeten interageren, paringsefficiëntie was een schamele 0,2 procent.

Nutsvoorzieningen, in plaats van alleen de twee natuurlijke paringstypes, wetenschappers kunnen snel duizenden "geslachten" ontwikkelen door individuele gist te overhalen om de buitenkant van hun cellen te versieren met nieuwe, door mensen gespecificeerde eiwitten. Als een paar nieuwe paringstypes seksueel compatibel zijn - wat betekent dat de eiwitten die hun celoppervlakken verfraaien, interageren - zullen hun nakomelingen in aantal toenemen. Door elke genetisch verschillende nakomelingen op te tellen in een buis die niet veel groter is dan een vingerhoed, duizenden potentiële moleculaire interacties kunnen worden gekwantificeerd.

Verbetering van de veiligheid van medicijnen

Om te laten zien dat hun nieuwe tool zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van geneesmiddelen, het team genereerde 1 400 verschillende varianten van een opkomend medicijn tegen kanker dat bekend staat als XCDP07. Het medicijn zou de ongeremde groei van kankercellen verstoren door specifieke cellulaire doelen te binden, maar zoals bij elk medicijn, significante off-target interacties kunnen het nutteloos maken. Door gist die verschillende versies van het medicijn vertoont te mengen met andere gist die menselijke eiwitten vertoont, het team was in staat om versies van XCDP07 te identificeren die alleen gebonden waren aan het beoogde doel.

Younger werkt eraan om zijn nieuwe tool in handen te krijgen van meer wetenschappers. Hij heeft zijn gemanipuleerde giststammen al geschonken aan enthousiaste onderzoekers van Stanford, Yale, UCSD en daarbuiten. Bezorgdheid over de kosten en veiligheid van opkomende medicijnen hebben hem gemotiveerd om een ​​bedrijf te starten – gefinancierd door wetenschappelijke subsidies, geen investeerders – om zijn resultaten om te zetten in de volgende generatie medicijnen. Younger zegt dat het doel is om "uitgebreide preklinische screening van geneesmiddelen, in plaats van de huidige praktijk van het screenen van een zeer kleine subset van mogelijke off-target interacties."

De volgende blockbuster-medicijnen hebben mogelijk een schuld aan gist en hun paringspraktijken. Wie zegt dat je een oude schimmel geen nieuwe trucjes kunt leren?

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.