Engineering celbiologie, minus de eigenlijke cel, is een groeiend interessegebied in biotechnologie en synthetische biologie. Het staat bekend als celvrije eiwitsynthese, of GVB, en het heeft de potentie om duurzame manieren te bieden om chemicaliën te maken, medicijnen en biomaterialen.

Helaas, een al lang bestaande kloof in celvrije systemen is het vermogen om geglycosyleerde eiwitten te produceren - eiwitten met een koolhydraataanhechting. Glycosylering is cruciaal voor een breed scala aan belangrijke biologische processen, en het vermogen om dit mechanisme te begrijpen en te beheersen is van vitaal belang voor de behandeling en preventie van ziekten.

Matthew De Lisa, de William L. Lewis Professor of Engineering aan de Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering aan de Cornell University, en Michael Jewett, universitair hoofddocent chemische en biologische technologie aan de Northwestern University, hebben samengewerkt aan een nieuwe aanpak die deze kloof overbrugt. hun systeem, de eerste in zijn soort, profiteert van de recente vooruitgang in CFPS en voegt de cruciale glycosyleringscomponent toe in een vereenvoudigde, "eenpot"-reactie. Het gewenste eiwit kan vervolgens worden gevriesdroogd en gereactiveerd voor synthese op het gebruikspunt door eenvoudigweg water toe te voegen.

DeLisa en Jewett zijn co-senior auteurs van "Single-pot Glycoprotein Biosynthesis Using a Cell-Free Transcription-Translation System Enriched with Glycosylation Machinery, " gepubliceerd op 12 juli in Natuurcommunicatie .

Thapakorn Jaroentomeechai, doctoraat student in de DeLisa Research Group, en Jessica Stark '12, doctoraat student in de Jewett-groep, zijn co-eerste auteurs.

"Als je echt iets nuttigs wilt hebben, draagbare en inzetbare vaccin- of therapeutische eiwittechnologie die celvrij is, je moet de koolhydraataanhechting achterhalen, " zei DeLisa. "Dat is, in essentie, wat we op een zeer krachtige manier hebben gedaan."

Dit werk kan van invloed zijn op de ontwikkeling van gedecentraliseerde productiestrategieën. Snelle toegang tot op eiwitten gebaseerde medicijnen in afgelegen omgevingen kan levens veranderen; nieuwe paradigma's voor bioproductie die geschikt zijn voor gebruik in omgevingen met weinig middelen, kunnen een betere toegang tot dure medicijnen bevorderen via lokale, productie in kleine series.

DeLisa heeft veel onderzoek gedaan naar de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan eiwitbiogenese in de complexe omgeving van een levende cel, zoals Escherichia coli ( E coli ). Hoewel zijn lab enkele opmerkelijke doorbraken heeft gemaakt, de beperkingen van dit gebied, hij zei, zijn de celwanden zelf.

Jewett's lab in Northwestern heeft veel van zijn onderzoeksinspanningen geïnvesteerd in celvrije synthetische biologie, die gebruik maakt van de meest elegante biomachines van de natuur buiten de cel, dus een samenwerking was een natuurlijke uitbreiding van het werk van beide laboratoria.

"In bacteriële celtechniek, je bent constant in touwtrekken, Jewett zei. "Je introduceert een mechanisme of mogelijkheid die voor jou als wetenschapper interessant is, maar wat de cel voor zichzelf probeert te doen, is groeien en overleven."

Voor hun nieuwe methode het team bereidde celextracten van een geoptimaliseerde laboratoriumstam van E. coli, CLM24, die selectief waren verrijkt met belangrijke glycosyleringscomponenten. De resulterende extracten maakten een vereenvoudigd reactieschema mogelijk, die het team celvrije glycoproteïnesynthese (CFGpS) heeft genoemd.

"Een belangrijke vooruitgang van dit werk is dat onze celvrije extracten alle moleculaire machines voor eiwitsynthese en eiwitglycosylering bevatten, " zei Stark. "Wat dat betekent, is dat je alleen DNA-instructies voor je eiwit van belang hoeft toe te voegen om een ​​glycoproteïne in CFGpS te maken. Dit is een drastische vereenvoudiging van celgebaseerde methoden en stelt ons in staat om in minder dan een dag geavanceerde glycoproteïnemoleculen te maken."

En de CFGpS-methode is zeer modulair, waardoor het gebruik van verschillende en diverse extracten kan worden gemengd voor de productie van een verscheidenheid aan glycoproteïnen.

"Omdat we voor E. coli hebben gekozen, die zijn eigen glycosyleringsmachinerie mist, om ons CFGpS-platform te bouwen, het gaf ons een onbeschreven blad voor bottom-up engineering van elk gewenst glycosyleringssysteem, " Zei Jaroentomeechai. "Dit geeft ons het unieke vermogen om koolhydraatstructuren en zuiverheden van de glycoproteïnen te controleren op niveaus die momenteel niet haalbaar zijn in andere celgebaseerde expressiesystemen."

Zelfs in ontwikkelde landen zoals de V.S. de verschuiving naar gepersonaliseerde geneeskunde maakt dit type protocol voor de productie van geneesmiddelen op aanvraag aantrekkelijk. "Je zou een reageerbuis kunnen gebruiken in plaats van een 50, 000 liter bioreactor om uw product te maken, dat de deur opent naar een gepersonaliseerd bioproductieparadigma waar elke patiënt een uniek eiwitgeneesmiddel kan krijgen dat is afgestemd op hun fysiologie, " hij zei.