Jammer van het glycaan - deze complexe suikermoleculen zijn gehecht aan 80% van de eiwitten in het menselijk lichaam, waardoor ze een essentieel ingrediënt van het leven worden. Maar dit proces, bekend als glycosylering, is enigszins overschaduwd door flitsendere biomoleculaire processen zoals transcriptie en translatie.

"Glycosylering is absoluut essentieel voor het leven op deze planeet. En toch, we weten er nog relatief weinig van, " zei Matthew DeLisa, de William L. Lewis hoogleraar Engineering aan de Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Hoewel er veel aandacht is besteed aan het begrijpen van het genoom en het proteoom, het glycome - dat het volledige complement van suikers vertegenwoordigt, hetzij vrij, hetzij aanwezig in complexere moleculen zoals glycoproteïnen, van een organisme - is relatief weinig bestudeerd. We hebben nieuwe tools nodig om het veld vooruit te helpen."

Het lab van DeLisa heeft deze tools gemaakt door eenvoudige, eencellige micro-organismen—namelijk E coli bacteriën - en ze te ontwikkelen om het complexe proces van glycosylering en de functionele rol die eiwitgebonden glycanen spelen bij gezondheid en ziekte te onderzoeken.

Het blad van de groep, "Engineering orthogonale menselijke O-gebonden glycoproteïne biosynthese in bacteriën, " gepubliceerd op 27 juli in Natuur Chemische Biologie . De hoofdauteur is Aravind Natarajan, doctoraat '19.

Eerder, Het team van DeLisa gebruikte een vergelijkbare benadering van celglyco-engineering om een ​​van de meest voorkomende typen glycoproteïnen te produceren:die met glycaanstructuren die zijn gekoppeld aan het aminozuur asparagine, of N-gebonden. Nu hebben de onderzoekers hun aandacht gericht op een ander overvloedig glycoproteïne, namelijk O-gekoppeld, waarin glycanen zijn bevestigd aan het zuurstofatoom van serine- of threonine-aminozuren van een eiwit.

De O-gebonden glycanen zijn structureel diverser dan hun N-gebonden neven, en ze hebben belangrijke implicaties bij de ontwikkeling van nieuwe therapeutische behandelingen voor ziekten zoals borstkanker.

"Onze inspanningen op het gebied van celengineering waren behoorlijk gecompliceerd, omdat we niet alleen E coli met de complete set enzymen voor het maken en hechten van glycaanstructuren aan eiwitten, maar we moesten ook zorgvuldig de natuurlijke metabole netwerken opnieuw bedraden om de beschikbaarheid van belangrijke glycaanbouwstenen zoals siaalzuur, " zei Natarajan. "De toevoeging van siaalzuur aan onze glycoproteïnen is belangrijk omdat dit suikerresidu vaak cruciaal is voor het richten van medicijnen op specifieke cellen en het verhogen van hun halfwaardetijd in de bloedsomloop."

Wanneer een cel kanker wordt, het drukt bepaalde biomarkers uit, inclusief abnormaal geglycosyleerde oppervlakte-eiwitten, die wijzen op de aanwezigheid van kanker. DeLisa's groep uitgerust E coli met de machines om dergelijke eiwitten te produceren, waaronder een die sterk leek op een prominente kankerbiomarker, mucine 1 (MUC1).

"De geglycosyleerde versie van MUC1 is een van de doelwitantigenen met de hoogste prioriteit voor kankertherapie. Het was een hele uitdaging om therapieën tegen dit doelwit te ontwikkelen, " zei DeLisa, senior auteur van de krant. "Maar door een biosynthetisch hulpmiddel te hebben zoals we hebben gemaakt dat in staat is om de MUC1-structuur te repliceren, we hebben goede hoop dat dit glycoproteïne-reagentia kan opleveren die kunnen worden gebruikt om antilichamen te ontdekken of direct kunnen worden gebruikt als immunotherapie, die allemaal zouden kunnen helpen in de strijd tegen bepaalde soorten kanker."

Zowel O-gekoppelde als N-gekoppelde glycanen zijn ook ontdekt in een van de oppervlakte-eiwitten van het SARS-CoV-2-virus, die COVID-19 veroorzaakt. DeLisa hoopt dat de methode van bacteriële cel-glyco-engineering van zijn groep de deur zal openen voor het creëren van geglycosyleerde versies van dit S-eiwit die kunnen leiden tot therapeutische antilichamen tegen het coronavirus. of de ontwikkeling van een subeenheidvaccin.

Vanwege hun eerdere werk dat N-gebonden glycanen repliceert, de onderzoekers konden het O-linked systeem snel aan de praat krijgen. Nu is DeLisa's lab klaar om eiwitten te maken die beide soorten glycosylering dragen, wat belangrijk is omdat veel glycoproteïnen, zoals het S-eiwit in SARS-CoV-2, dragen zowel N- als O-gebonden glycaanstructuren.

De onderzoekers onderzoeken ook manieren om het spectrum van glycoproteïnen dat ze hebben ontwikkeld te vergroten E coli cellen kunnen produceren en de efficiëntie waarmee deze producten worden gegenereerd.

"Wij denken aan" E coli als een schoon chassis of een schone lei als het gaat om eiwitglycosylering, omdat deze bacteriën normaal geen glycosyleringsreacties uitvoeren zoals degene die we hebben geïnstalleerd, "DeLisa zei. "Hierdoor kunnen deze paden van onderaf worden aangelegd, waardoor we totale controle hebben over de soorten glycaanstructuren die worden gemaakt, en de specifieke plaatsen in doeleiwitten waar ze zijn bevestigd. Dat is een niveau van controle dat moeilijk te bereiken is met andere reeds bestaande celgebaseerde systemen of technologieën voor glycoproteïne-engineering."