In recente jaren, wetenschappers hebben bacteriën ontwikkeld met uitgebreide genetische codes die eiwitten produceren die zijn gemaakt van een breder scala aan moleculaire bouwstenen, het openen van een veelbelovend front in eiwittechnologie.

Nutsvoorzieningen, Scripps Research-wetenschappers hebben aangetoond dat dergelijke synthetische bacteriën eiwitten in het laboratorium kunnen ontwikkelen met verbeterde eigenschappen met behulp van mechanismen die misschien niet mogelijk zijn met de 20 aminozuurbouwstenen van de natuur.

Bacteriën met een kunstmatig uitgebreide genetische code blootstellen aan temperaturen waarbij ze normaal niet kunnen groeien, de onderzoekers ontdekten dat sommige bacteriën nieuwe hittebestendige eiwitten ontwikkelden die stabiel blijven bij temperaturen waar ze normaal gesproken zouden inactiveren. De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in de Tijdschrift van de American Chemical Society ( JACS ).

Vrijwel elk organisme op aarde gebruikt dezelfde 20 aminozuren als de bouwstenen om eiwitten te maken - de grote moleculen die de meeste cellulaire functies uitvoeren. Peter Schultz, doctoraat, de senior auteur van de JACS paper en president en CEO van Scripps Research, pionierde met een methode om de eigen eiwitbiosynthetische machinerie van de cel te herprogrammeren om nieuwe aminozuren aan eiwitten toe te voegen, zogenaamde niet-canonieke aminozuren (ncAA's), met chemische structuren en eigenschappen die niet worden gevonden in de gebruikelijke 20 aminozuren.

Deze uitgebreide genetische code is in het verleden gebruikt om rationeel eiwitten te ontwerpen met nieuwe eigenschappen voor gebruik als hulpmiddelen om te bestuderen hoe eiwitten in cellen werken en als nieuwe, nauwkeurig ontworpen medicijnen voor kanker. De onderzoekers vroegen nu of synthetische bacteriën met uitgebreide genetische codes een evolutionair voordeel hebben ten opzichte van bacteriën die beperkt zijn tot 20 bouwstenen - is een code van 21 aminozuren beter dan een code van 20 aminozuren vanuit een evolutionair fitnessperspectief?

"Sinds we voor het eerst het scala aan aminozuren dat in eiwitten kan worden ingebouwd, hebben uitgebreid, er is veel werk gestoken in het gebruik van deze systemen om moleculen te ontwikkelen met nieuwe of verbeterde eigenschappen, "zegt Schultz. "Hier, we hebben aangetoond dat het combineren van een uitgebreide genetische code met een laboratoriumevolutie eiwitten kan creëren met verbeterde eigenschappen die misschien niet gemakkelijk haalbaar zijn met de beperktere set van de natuur."

De wetenschappers begonnen met het aanpassen van het genoom van E coli zodat de bacteriën het eiwit homoserine o-succinyltransferase (metA) konden produceren met een code van 21 aminozuren in plaats van de gebruikelijke code van 20 aminozuren. Een belangrijk metabolisch enzym, metA dicteert de maximale temperatuur waarbij E coli kan gedijen. Boven die temperatuur metA begint te inactiveren en de bacteriën sterven. De onderzoekers maakten vervolgens mutanten van metA, waarin bijna elk aminozuur in het natuurlijke eiwit kan worden vervangen door een 21e niet-canoniek aminozuur.

Op dit punt, ze lieten natuurlijke selectie - het centrale mechanisme van evolutie - zijn magie werken. Door de bacteriën te verhitten tot 44 graden Celsius - een temperatuur waarbij normaal metA-eiwit niet kan functioneren, en als gevolg daarvan, bacteriën kunnen niet groeien - de wetenschappers oefenen selectieve druk uit op de bacteriepopulatie. Zoals verwacht, sommige van de gemuteerde bacteriën konden overleven buiten hun typische temperatuurplafond, dankzij het bezit van een gemuteerd metA dat meer hittebestendig was - stierven alle andere bacteriën.

Op deze manier, de onderzoekers waren in staat om de bacteriën aan te drijven om een ​​gemuteerd metA-enzym te ontwikkelen dat bestand is tegen temperaturen die 21 graden hoger zijn dan normaal, bijna twee keer de toename van de thermische stabiliteit die mensen doorgaans bereiken wanneer ze beperkt zijn tot mutaties die beperkt zijn tot de gebruikelijke bouwstenen van 20 aminozuren.

De onderzoekers identificeerden vervolgens de specifieke genetische sequentieverandering die resulteerde in de gemuteerde metA en ontdekten dat het te wijten was aan de unieke chemische eigenschappen van een van hun niet-canonieke aminozuren die laboratoriumevolutie op een slimme manier uitbuitte om het eiwit te stabiliseren.

"Het is opvallend hoe het maken van zo'n kleine mutatie met een nieuw aminozuur dat niet in de natuur voorkomt, leidt tot zo'n significante verbetering van de fysieke eigenschappen van het eiwit, ", zegt Schultz.

"Dit experiment roept de vraag op of een code van 20 aminozuren de optimale genetische code is - als we levensvormen ontdekken met uitgebreide codes, zullen ze dan een evolutionair voordeel hebben, en hoe zouden we zijn als God op de zevende dag had gewerkt en nog een paar aminozuren aan de code had toegevoegd?"