Synthetische biologen die aan een project van het Amerikaanse leger werken, hebben een proces ontwikkeld dat zou kunnen leiden tot een nieuwe klasse synthetische polymeren die nieuwe hoogwaardige materialen en therapieën voor soldaten kunnen creëren.

Natuurcommunicatie gepubliceerd onderzoek uitgevoerd door door het leger gefinancierde onderzoekers van de Northwestern University, die een set ontwerpregels heeft ontwikkeld om te begeleiden hoe ribosomen, een celstructuur die eiwitten maakt, nieuwe soorten monomeren kan opnemen, die kunnen worden gebonden met identieke moleculen om polymeren te vormen.

"Deze bevindingen zijn een opwindende stap voorwaarts in het bereiken van sequentiegedefinieerde synthetische polymeren, wat een grote uitdaging is geweest op het gebied van polymeerchemie, " zei Dr. Dawanne Poree, programma manager, polymeerchemie bij het legeronderzoeksbureau. "Het vermogen om cellulaire machines te gebruiken en aan te passen om niet-biologische polymeren te produceren, zou, in essentie, brengen synthetische materialen in het rijk van biologische functies. Dit kan geavanceerde, hoogwaardige materialen zoals nano-elektronica, zelfherstellende materialen, en andere materialen die van belang zijn voor het leger."

Biologische polymeren zoals DNA, hebben nauwkeurige bouwsteensequenties die een verscheidenheid aan geavanceerde functies bieden, zoals informatieopslag en zelfreplicatie. In dit project werd gekeken naar de manier waarop biologische machines opnieuw kunnen worden ontworpen, zodat ze kunnen werken met niet-biologische bouwstenen die een manier zouden bieden om synthetische polymeren te maken met de precisie van de biologie.

"Deze nieuwe synthetische polymeren kunnen de ontwikkeling van geavanceerde persoonlijke beschermingsmiddelen mogelijk maken, geavanceerde elektronica, brandstofcellen, geavanceerde zonnecellen en nanofabricage, die allemaal essentieel zijn voor de bescherming en prestaties van soldaten, ' zei Pore.

"We wilden het assortiment ribosomale monomeren voor eiwitsynthese uitbreiden om nieuwe richtingen in de bioproductie mogelijk te maken, " zei Michael Jewett, de Charles Deering McCormick Professor of Teaching Excellence, hoogleraar chemische en biologische technologie, en directeur van het Centrum voor Synthetische Biologie aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. "Wat zo opwindend is, is dat we hebben geleerd dat het ribosoom meer soorten monomeren kan bevatten dan we hadden verwacht, die de weg vrijmaakt voor het gebruik van het ribosoom als een algemene machine om klassen van materialen en medicijnen te creëren die nog niet eerder zijn gesynthetiseerd."

Recombinante eiwitproductie door het ribosoom heeft het leven van miljoenen mensen veranderd door de synthese van biofarmaceutica, zoals insuline, en industriële enzymen die in wasmiddelen worden gebruikt. In de natuur, echter, het ribosoom neemt alleen natuurlijke aminozuurmonomeren op in eiwitpolymeren.

Om het repertoire van monomeren die door het ribosoom worden gebruikt uit te breiden, Jewett's team ging op zoek naar ontwerpregels voor het koppelen van monomeren aan Transfer-ribonucleïnezuur, bekend als tRNA's. Dat komt omdat het ribosoom ertoe brengen een nieuw monomeer te gebruiken niet zo eenvoudig is als het introduceren van een nieuw monomeer in het ribosoom. De monomeren moeten aan tRNA's worden gehecht, dat zijn de moleculen die ze in het ribosoom dragen. Veel huidige processen voor het hechten van monomeren aan tRNA's zijn moeilijk en tijdrovend, maar een relatief nieuw proces genaamd flexizyme maakt een eenvoudigere en flexibelere bevestiging van monomeren mogelijk.

Om de ontwerpregels voor het gebruik van flexizyme te ontwikkelen, de onderzoekers creëerden 37 monomeren die nieuw waren voor het ribosoom uit een divers repertoire van steigers. Vervolgens, ze toonden aan dat de monomeren die aan tRNA's konden worden gehecht, konden worden gebruikt om tientallen nieuwe peptidehybriden te maken. Eindelijk, ze valideerden hun ontwerpregels door voorspelbaar de zoektocht naar nog meer nieuwe monomeren te begeleiden.

"Met de nieuwe ontwerpregels, we laten zien dat we de trial-and-error-benaderingen kunnen vermijden die historisch werden geassocieerd met het ontwikkelen van nieuwe monomeren voor gebruik door het ribosoom, ' zei Jewett.

Deze nieuwe ontwerpregels moeten het tempo versnellen waarin onderzoekers nieuwe monomeren kunnen incorporeren, wat uiteindelijk zal leiden tot nieuwe bioproducten die door het ribosoom worden gesynthetiseerd. Bijvoorbeeld, materialen gemaakt van protease-resistente monomeren kunnen leiden tot antimicrobiële geneesmiddelen die de stijgende antibioticaresistentie bestrijden.

Het onderzoek maakt deel uit van het Multidisciplinaire University Research Initiatives-programma van het ministerie van Defensie, ondersteund door ARO, waarin Jewett samenwerkt met onderzoekers van drie andere universiteiten om het ribosoom te herontwikkelen als een biologische katalysator om nieuwe chemische polymeren te maken. ARO is een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command.

"Het is verbazingwekkend dat het ribosoom de hoeveelheid monomeren kan bevatten die we hebben laten zien, " Zei Jewett. "Dat is echt bemoedigend voor toekomstige inspanningen om ribosomen opnieuw te gebruiken."