Rice University-chemicus Han Xiao en zijn team hebben met succes de genetische code van Escherichia coli-bacteriën uitgebreid om een ​​synthetische bouwsteen te produceren, een "niet-canoniek aminozuur." Het resultaat is een levende indicator voor oxidatieve stress.

Het werk, ze zeggen, is een stap in de richting van technologieën die de generatie van nieuwe eiwitten en organismen met een verscheidenheid aan nuttige functies mogelijk zullen maken.

Hun studie verschijnt in het tijdschrift Cell Press Chemo .

Aminozuren zijn de bouwstenen van DNA. In het algemeen, organismen hebben er maar 20 nodig om de hele set eiwitten te programmeren die nodig zijn voor het leven. Maar Xiao, met de hulp van een subsidie ​​van $ 1,8 miljoen van de National Institutes of Health, uiteengezet om te zien hoe een 21e aminozuur het ontwerp van "onnatuurlijke organismen" zou mogelijk maken die specifieke doelen dienen.

De nieuwe studie doet precies dat door bacteriën te manipuleren om het extra aminozuur te produceren, genaamd 5-hydroxyl-tryptofaan (5HTP), die van nature bij mensen voorkomt als een voorloper van de neurotransmitter serotonine, maar niet in E. coli. De nieuwe productie van 5HTP zet de bacteriën aan om een ​​eiwit te produceren dat fluoresceert wanneer het organisme onder metabole stress staat.

"Het proces vereist veel interdisciplinaire technieken, " zei Xiao. "In deze studie, we combineerden synthetische chemie, synthetische biologie en metabolische engineering om een ​​stam te creëren die een 21e niet-canoniek aminozuur synthetiseert en codeert, en gebruikt het vervolgens om het gewenste eiwit te produceren."

Xiao zei dat het programmeren van de autonome onnatuurlijke bacteriën een proces in drie stappen was:ten eerste, de onderzoekers onder leiding van afgestudeerde student Yuda Chen creëerden bioorthogonale translationele machines voor het aminozuur, 5HTP. Tweede, ze vonden en richtten zich op een blanco codon - een sequentie in DNA of RNA die geen eiwit produceert - en bewerkten het genetisch om te coderen voor 5HTP. Derde, door enzymclusters van andere soorten te enten in E. coli, ze gaven de bacteriën het vermogen om 5HTP te produceren.

"Deze 5HTP-bevattende eiwitten, geïsoleerd uit de geprogrammeerde bacteriën, kan verder worden gelabeld met medicijnen of andere moleculen, ' zei Xiao. 'Hier, we laten zien dat de soort zelf kan dienen als een levende indicator voor reactieve zuurstofsoorten, en de detectielimiet is erg laag."

Hoewel onderzoekers tot nu toe de creatie van meer dan 200 niet-canonieke aminozuren hebben gerapporteerd, de meeste van hen kunnen niet worden gesynthetiseerd door hun gastheerorganismen. "Dit is al tientallen jaren een continu veld, maar voorheen concentreerden mensen zich op het chemische deel, Xiao zei. "Onze visie is om hele cellen te bouwen met het 21e aminozuur waarmee we biologische of medische problemen in levende organismen kunnen onderzoeken. in plaats van alleen met cellen in het laboratorium om te gaan.

"Het verplaatsen van deze technologie naar de gastheersoort elimineert de noodzaak om kunstmatige bouwstenen in een organisme te injecteren, omdat ze het zelf kunnen synthetiseren en gebruiken, " zei hij. "Dat stelt ons in staat om niet-canonieke aminozuren te bestuderen op een hoger, niveau van het hele organisme."

uiteindelijk, de onderzoekers hopen dat aangepaste bouwstenen gerichte cellen mogelijk maken, zoals die in tumoren, om hun eigen therapeutische medicijnen te maken. "Dat is een belangrijke toekomstige richting voor mijn lab, ", zei Xiao. "We willen dat cellen ziekten detecteren, betere medicijnen maken en deze in realtime vrijgeven. Dat vinden we niet ver weg."

Co-auteurs van het artikel zijn Rice postdoctorale fellows Juan Tang, Lushun Wang en Zeru Tian, student Adam Cardenas en gastwetenschapper Xinlei Fang, en Abhishek Chatterjee, een assistent-professor scheikunde aan het Boston College. Xiao is de Norman Hackerman-Welch Young Investigator en een assistent-professor scheikunde.