Cellen zijn ongelooflijk bedreven in het maken van complexe moleculen, zoals therapieën, en kan zoveel beter dan veel van onze beste fabrieken.

Synthetische biologen proberen cellen opnieuw te ontwikkelen om deze moleculen te maken voor specifieke behoeften, inclusief farmaceutische en energietoepassingen. Maar het proces van vallen en opstaan ​​is moeilijk en tijdrovend, en concurreert vaak met de andere doelen en processen van de cel, zoals groei en overleving.

Een nieuwe methode ontwikkeld aan de Northwestern University combineert twee geavanceerde onderzoeksbenaderingen om een ​​snelle, efficiënte manier om metabole routes te ontwikkelen en te analyseren.

De benaderingen - celvrije eiwitsynthese en zelf-geassembleerde monolaagdesorptie-ionisatie (SAMDI) massaspectrometrie - combineren om een ​​nieuw hulpmiddel te maken om ingenieurs te helpen de paden om moleculen te maken beter te begrijpen.

"Met deze twee methoden, we kunnen duizenden potentiële mengsels bouwen en ze allemaal op één dag testen, een veel sneller proces dat nieuwe inzichten en ontwerpregels zal opleveren voor synthetisch biologen, " zei Milan Mrksich, de Henry Wade Rogers hoogleraar biomedische technologie, Scheikunde, en cel- en moleculaire biologie aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. Hij is ook mededirecteur van het Northwestern's Centre for Synthetic Biology.

De resultaten zijn op 5 juni gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang . Michael Jewett, de Charles Deering McCormick Professor of Teaching Excellence, hoogleraar chemische en biologische technologie, en mededirecteur van het Centrum voor Synthetische Biologie, is een co-corresponderende auteur van het onderzoek.

Aanmaken van enzymen door celvrije synthese

Cellen ontwikkelen complexe moleculen door enzymen, het eiwit dat wordt gebruikt om het ene molecuul in het andere om te zetten. Door een reeks van deze conversies, een metaboliet wordt een complex molecuul, een die vaak wordt geassocieerd met maatschappelijk voordeel.

Voor ingenieurs om dit proces na te bootsen, ze moeten identificeren welke enzymen nodig zijn om hen het gewenste molecuul te geven. Zodra ze die metabolische route begrijpen, ze kunnen een cel bouwen - vaak een bacteriecel - om de enzymen te maken om het doelmolecuul te maken. Bijvoorbeeld, Co-enzym A (CoA) is een centraal molecuul in het metabolisme, en synthetische biologen hebben de afhankelijke routes gebruikt om antimalariamedicijnen te ontwikkelen, biergist, en geavanceerde biobrandstoffen.

Maar het vinden van deze paden is een proces van vallen en opstaan ​​dat dagen van inspanning kan vergen om zowel het resultaat te ontwikkelen als te testen. Om hieraan voorbij te gaan, Jewett's lab heeft een proces van celvrije eiwitsynthese ontwikkeld dat alleen de enzymen creëert die nodig zijn om de doelproductmoleculen te maken, maar zonder de hele cel zelf te hoeven gebruiken. Hier, het lab creëerde enzymen, waardoor ze potentiële enzymen in reageerbuizen kunnen mixen en matchen zonder dat hun uiteindelijke doelen concurreren met de andere doelen van een cel, zoals het handhaven van zijn metabolisme.

"Celvrije eiwitsynthese is echt een opwindende technologie, " Zei Jewett. "De op cocktails gebaseerde benadering voor het construeren van biosynthetische functies met behulp van celvrije systemen die we hier beschrijven, bereikt een ongekende ontwerpvrijheid om de mogelijkheden van natuurlijke biokatalysatoren uit te breiden."

Snel analyseren met SAMDI

Zodra deze oplossingen zijn gemaakt, het testen van hun succes vereist minstens een half uur per monster. Omdat er zoveel mogelijke oplossingen zijn, dat handmatige proces is niet efficiënt genoeg om naar de optimale resultaten te zoeken.

Dat is waar de SAMDI-massaspectrometrie van Mrksich om de hoek komt kijken. De technologie meet biochemische reacties extreem snel en goedkoop. "We kunnen gemakkelijk 10 testen, 000 reactiemengsels op één dag om te bepalen welke moleculen zijn gesynthetiseerd en hoeveel van elk in de reactiemengsels aanwezig is, ' zei Mrksich.

Aanvullend, de methode stelt hen in staat om alle moleculen die in de reactie aanwezig zijn te observeren, wat betekent dat ze moleculen kunnen vinden waar ze in de eerste plaats niet per se naar op zoek waren. "Dat is best spannend, "Zei Mrksich. "Het is een krachtig wetenschappelijk hulpmiddel dat ons leert hoe deze reacties in evenwicht zijn en elkaar in de cel uitruilen."

Fabrieken maken met cellen

Om deze methode te bewijzen, de onderzoekers synthetiseerden hydroxymethylglutaryl-CoA (HMG-CoA), een veel voorkomende metaboliet die wordt gebruikt bij de synthese van veel complexe moleculen, waaronder een klasse van belangrijke moleculen die bekend staat als isoprenoïden (inclusief steroïden en geneesmiddelen tegen kanker), en bracht meer dan 800 unieke reactieomstandigheden in kaart.

"Vandaag, een typisch synthetisch biologieproject kan tientallen varianten van een pad onderzoeken, " zei Jewett. "Met onze methode, we laten zien dat het mogelijk is om honderden tot duizenden padvariaties te testen. Dit is belangrijk omdat het nieuwe soorten datagestuurd ontwerp mogelijk maakt om padoptimalisatie te vergemakkelijken."

Omdat de SAMDI-methode zoveel datapunten voor elke test creëert, de onderzoekers hopen in de toekomst meer methoden voor machine learning en kunstmatige intelligentie te gebruiken om hen te helpen bij het analyseren en begrijpen van alle gegevens.

Het uiteindelijke doel is om voldoende inzicht te hebben om de kracht van een cel te benutten om de volgende generatie geneesmiddelen en duurzame chemicaliën voor energie te maken. Net zoals de snelle toename van de prestaties van computerapparatuur - beschreven door de wet van Moore - een diepgaande invloed heeft gehad op de hele computer- en consumentenelektronica-industrie, "Deze benadering vertegenwoordigt de volgende stap in engineering die een analoge impact zal hebben op synthetische biologie voor al zijn toepassingen, ' zei Jewett.

"Stel je voor dat je hele fabrieken vervangt door een vat bacteriën, "Zei Mrksich. "Die bacteriecellen kunnen worden gemanipuleerd om onze doelmoleculen te produceren, zonder de hoge temperaturen en onveilige oplosmiddelen en chemicaliën die normaal nodig zijn. Het is een aantrekkelijke manier om chemicaliën te maken, en met dit nieuwe proces, we hebben de efficiëntie waarmee de paden kunnen worden ontdekt en geoptimaliseerd aanzienlijk verbeterd."