Veel eiwitten zijn bruikbaar als medicijn voor aandoeningen zoals diabetes, kanker, en artritis. Het synthetiseren van kunstmatige versies van deze eiwitten is een tijdrovend proces waarvoor genetisch gemanipuleerde microben of andere cellen nodig zijn om het gewenste eiwit te produceren.

MIT-chemici hebben een protocol bedacht om de hoeveelheid tijd die nodig is om synthetische eiwitten te genereren drastisch te verminderen. Hun tafelmodel geautomatiseerde stroomsynthesemachine kan honderden aminozuren aan elkaar rijgen, de bouwstenen van eiwitten, binnen enkele uren. De onderzoekers denken dat hun nieuwe technologie de productie van on-demand therapieën en de ontwikkeling van nieuwe medicijnen kan versnellen. en laat wetenschappers kunstmatige eiwitten ontwerpen door aminozuren op te nemen die niet in cellen voorkomen.

"Je zou nieuwe varianten kunnen ontwerpen die een superieure biologische functie hebben, mogelijk gemaakt door het gebruik van niet-natuurlijke aminozuren of gespecialiseerde modificaties die niet mogelijk zijn wanneer je het apparaat van de natuur gebruikt om eiwitten te maken, " zegt Brad Pentelute, een universitair hoofddocent chemie aan het MIT en de senior auteur van de studie.

In een krant die vandaag verschijnt in Wetenschap , de onderzoekers toonden aan dat ze chemisch verschillende eiwitketens tot 164 aminozuren lang konden produceren, inclusief enzymen en groeifactoren. Voor een handvol van deze synthetische eiwitten, ze voerden een gedetailleerde analyse uit waaruit bleek dat hun functie vergelijkbaar is met die van hun natuurlijk voorkomende tegenhangers.

De hoofdauteurs van het artikel zijn voormalig MIT-postdoc Nina Hartrampf, die nu assistent-professor is aan de Universiteit van Zürich, MIT-afgestudeerde student Azin Saebi, en voormalig MIT technisch medewerker Mackenzie Poskus.

Snelle productie

De meeste eiwitten die in het menselijk lichaam worden aangetroffen, zijn tot 400 aminozuren lang. Het synthetiseren van grote hoeveelheden van deze eiwitten vereist het afleveren van genen voor de gewenste eiwitten in cellen die fungeren als levende fabrieken. Dit proces wordt gebruikt om bacteriële of gistcellen te programmeren om insuline en andere medicijnen zoals groeihormonen te produceren.

“Dit is een tijdrovend proces, " zegt Thomas Nielsen, hoofd onderzoekschemie bij Novo Nordisk, die ook auteur is van de studie. "Eerst moet je het gen beschikbaar hebben, en je moet iets weten over de cellulaire biologie van het organisme, zodat je de expressie van je eiwit kunt manipuleren."

Een alternatieve benadering voor eiwitproductie, voor het eerst voorgesteld in de jaren zestig door Bruce Merrifield, die later de Nobelprijs voor scheikunde kreeg voor zijn werk aan de synthese van peptiden in vaste fase, is om aminozuren stapsgewijs chemisch aan elkaar te rijgen. Er zijn 20 aminozuren die levende cellen gebruiken om eiwitten te bouwen, en met behulp van de technieken die door Merrifield zijn ontwikkeld, het duurt ongeveer een uur om de chemische reacties uit te voeren die nodig zijn om één aminozuur aan een peptideketen toe te voegen.

In recente jaren, Pentelute's lab heeft een snellere methode uitgevonden om deze reacties uit te voeren, gebaseerd op een technologie die bekend staat als stromingschemie. In hun automaat, chemicaliën worden gemengd met behulp van mechanische pompen en kleppen, en bij elke stap van de totale synthese circuleren ze door een verwarmde reactor die een harsbed bevat. In het geoptimaliseerde protocol, het vormen van elke peptidebinding duurt gemiddeld 2,5 minuten, en peptiden tot 25 aminozuren lang kunnen in minder dan een uur worden samengesteld.

Na de ontwikkeling van deze technologie, Novo Nordisk, die verschillende eiwitgeneesmiddelen maakt, raakte geïnteresseerd in het werken met het laboratorium van Pentelute om langere peptiden en eiwitten te synthetiseren. Om dat te bereiken, de onderzoekers moesten de efficiëntie verbeteren van de reacties die peptidebindingen vormen tussen aminozuren in de keten. Voor elke reactie, hun eerdere efficiëntiepercentage lag tussen 95 en 98 procent, maar voor langere eiwitten, ze wilden dat het meer dan 99 procent was.

"De grondgedachte was dat als we echt goed zouden worden in het maken van peptiden, we zouden de technologie kunnen uitbreiden om eiwitten te maken, "zegt Pentelute. "Het idee is om een ​​machine te hebben waar een gebruiker naar toe kan lopen en een eiwitsequentie kan invoeren, en het zou deze aminozuren op zo'n efficiënte manier aan elkaar rijgen dat aan het eind van de dag, je kunt het eiwit krijgen dat je wilt. Het was een hele uitdaging, want als de chemie niet in de buurt van 100 procent is voor elke stap, je krijgt niet het gewenste materiaal."

Om hun slagingspercentage te verhogen en het optimale recept voor elke reactie te vinden, de onderzoekers voerden aminozuurspecifieke koppelingsreacties uit onder veel verschillende omstandigheden. In dit onderzoek, ze stelden een universeel protocol samen dat een gemiddelde efficiëntie van meer dan 99 procent behaalde voor elke reactie, wat een significant verschil maakt wanneer zoveel aminozuren worden gekoppeld om grote eiwitten te vormen, zeggen de onderzoekers.

"Als je eiwitten wilt maken, deze extra 1 procent maakt echt het verschil, omdat bijproducten zich ophopen en je een hoog slagingspercentage nodig hebt voor elk afzonderlijk opgenomen aminozuur, ', zegt Hartrampf.

Met behulp van deze aanpak, konden de onderzoekers een eiwit synthetiseren dat 164 aminozuren bevat:Sortase A, een bacterieel eiwit. Ze produceerden ook proinsuline, een insulineprecursor met 86 aminozuren, en een enzym genaamd lysozyme, die 129 aminozuren heeft, evenals een paar andere eiwitten. Het gewenste eiwit moet worden gezuiverd en vervolgens in de juiste vorm worden gevouwen, wat een paar uur meer toevoegt aan het algehele syntheseproces. Alle gezuiverde gesynthetiseerde eiwitten werden verkregen in milligramhoeveelheden, tussen 1 en 5 procent van de totale opbrengst.

Medische Chemie

De onderzoekers testten ook de biologische functies van vijf van hun synthetische eiwitten en ontdekten dat ze vergelijkbaar waren met die van de biologisch tot expressie gebrachte varianten.

Het vermogen om snel elke gewenste eiwitsequentie te genereren, zou een snellere ontwikkeling en testen van geneesmiddelen mogelijk moeten maken, zeggen de onderzoekers. De nieuwe technologie maakt het ook mogelijk andere aminozuren dan de 20 die worden gecodeerd door het DNA van levende cellen, in eiwitten op te nemen. de structurele en functionele diversiteit van potentiële eiwitgeneesmiddelen die kunnen worden gemaakt aanzienlijk uitbreiden.

"Dit maakt de weg vrij voor een nieuw gebied van proteïne-medicinale chemie, ", zegt Nielsen. "Deze technologie is een echte aanvulling op wat beschikbaar is voor de farmaceutische industrie, biedt nieuwe mogelijkheden voor snelle ontdekking van op peptiden en eiwitten gebaseerde biofarmaceutica."

De onderzoekers werken nu aan het verder verbeteren van de technologie, zodat deze eiwitketens tot 300 aminozuren lang kan samenstellen. Ze werken ook aan de automatisering van het hele productieproces, zodat zodra het eiwit is gesynthetiseerd, het decolleté, zuivering, en vouwstappen vinden ook plaats zonder dat menselijke tussenkomst nodig is.