MIT-chemici hebben een manier bedacht om snel miljoenen nieuwe eiwitten te synthetiseren en te screenen die kunnen worden gebruikt als medicijnen tegen ebola en andere virussen.

Alle eiwitten die door levende cellen worden geproduceerd, zijn gemaakt van de 20 aminozuren die zijn geprogrammeerd door de genetische code. Het MIT-team bedacht een manier om eiwitten samen te stellen uit aminozuren die niet in de natuur worden gebruikt, waaronder veel die spiegelbeelden zijn van natuurlijke aminozuren.

Deze eiwitten, die de onderzoekers "xenoproteïnen, " bieden veel voordelen ten opzichte van natuurlijk voorkomende eiwitten. Ze zijn stabieler, wat betekent dat, in tegenstelling tot de meeste eiwitgeneesmiddelen, ze hebben geen koeling nodig, en mag geen immuunrespons veroorzaken.

"Er is geen ander technologisch platform dat kan worden gebruikt om deze xenoproteïnen te maken, omdat mensen niet de mogelijkheid hebben gehad om volledig niet-natuurlijke sets aminozuren door de hele vorm van het molecuul te gebruiken, " zegt Brad Pentelute, een MIT universitair hoofddocent scheikunde en de senior auteur van het papier, die verschijnt in de Proceedings van de National Academy of Sciences de week van 21 mei.

Zacharias Gates, een MIT-postdoc, is de hoofdauteur van het artikel. Timothy Jamison, hoofd van de afdeling Chemie van het MIT, en leden van zijn lab droegen ook bij aan de krant.

Niet-natuurlijke eiwitten

Pentelute en Jamison lanceerden dit project vier jaar geleden, in samenwerking met het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), die hen vroeg om een ​​manier te bedenken om moleculen te maken die natuurlijk voorkomende eiwitten nabootsen, maar zijn gemaakt van niet-natuurlijke aminozuren.

"De missie was om ontdekkingsplatforms te genereren waarmee je chemisch grote bibliotheken van moleculen kunt maken die in de natuur niet bestaan, en blader vervolgens door die bibliotheken voor de specifieke functie die u wenste, ' zegt Pentelute.

Voor dit project, het onderzoeksteam bouwde voort op technologie die het laboratorium van Pentelute eerder had ontwikkeld voor het snel synthetiseren van eiwitketens. Zijn tafelmodel kan alle chemische reacties uitvoeren die nodig zijn om aminozuren aan elkaar te rijgen, het synthetiseren van de gewenste eiwitten binnen enkele minuten.

Als bouwstenen voor hun xenoproteïnen, de onderzoekers gebruikten 16 "spiegelbeeld" -aminozuren. Aminozuren kunnen in twee verschillende configuraties voorkomen, bekend als L en D. De L- en D-versies van een bepaald aminozuur hebben dezelfde chemische samenstelling, maar zijn spiegelbeelden van elkaar. Cellen gebruiken alleen L-aminozuren.

De onderzoekers gebruikten vervolgens synthetische chemie om tientallen miljoenen eiwitten te assembleren, elk ongeveer 30 aminozuren lang, alle D-configuratie. Deze eiwitten hadden allemaal een vergelijkbare gevouwen structuur die is gebaseerd op de vorm van een natuurlijk voorkomend eiwit dat bekend staat als een trypsine-remmer.

Voorafgaand aan deze studie, geen enkele onderzoeksgroep was in staat geweest om zoveel eiwitten te maken die puur uit niet-natuurlijke aminozuren waren gemaakt.

"Aanzienlijke inspanningen zijn besteed aan de ontwikkeling van methoden voor de opname van niet-natuurlijke aminozuren in eiwitmoleculen, maar deze zijn over het algemeen beperkt met betrekking tot het aantal niet-natuurlijke aminozuren dat tegelijkertijd in een eiwitmolecuul kan worden ingebouwd, ', zegt Gates.

Na het synthetiseren van de xenoproteïnen, de onderzoekers screenden ze om eiwitten te identificeren die zouden binden aan een IgG-antilichaam tegen een oppervlakte-eiwit van het influenzavirus. De antilichamen werden gelabeld met een fluorescerend molecuul en vervolgens gemengd met de xenoproteïnen. Met behulp van een systeem genaamd fluorescentie-geactiveerde celsortering, de onderzoekers konden xenoproteïnen isoleren die binden aan het fluorescerende IgG-molecuul.

Dit scherm, wat in slechts een paar uur kan worden gedaan, onthulde verschillende xenoproteïnen die aan het doelwit binden. Bij andere experimenten niet gepubliceerd in de PNAS-paper, de onderzoekers hebben ook xenoproteïnen geïdentificeerd die binden aan miltvuurtoxine en aan een glycoproteïne geproduceerd door het ebolavirus. Dit werk is in samenwerking met John Dye, Spencer Stonier, en Christopher Cote van het US Army Medical Research Institute of Infectious Diseases.

Gebouwd op aanvraag

De onderzoekers werken nu aan het synthetiseren van eiwitten die zijn gemodelleerd op verschillende steigervormen, en ze zijn op zoek naar xenoproteïnen die zich binden aan andere potentiële medicijndoelen. Hun doel op lange termijn is om dit systeem te gebruiken om snel eiwitten te synthetiseren en te identificeren die kunnen worden gebruikt om elk type opkomende infectieziekte te neutraliseren.

"De hoop is dat we met dit platform op een snelle manier moleculen kunnen ontdekken, en we kunnen ze op aanvraag chemisch vervaardigen. En nadat we ze hebben gemaakt, ze kunnen overal zonder koeling worden verzonden, voor gebruik in het veld, ' zegt Pentelute.

Naast mogelijke medicijnen, de onderzoekers hopen ook "xenozymen" te ontwikkelen - xenoproteïnen die kunnen werken als enzymen om nieuwe soorten chemische reacties te katalyseren.