Bedank de zeldzame kuifibis voor een aanwijzing die ons lichaam op een dag kan helpen om betere medicijnen te maken.

De vogelsoort is de enige waarvan bekend is dat hij van nature een enzym produceert dat in staat is een niet-canoniek aminozuur te genereren; dat wil zeggen, een niet van de 20 die nodig zijn om voor de meeste eiwitten te coderen.

Dat het bestaat - een ontdekking gedaan door computationele vergelijking van genoomdatabases - bewijst dat het mogelijk is dat dat enzym werkt binnen de context van levende cellen, zelfs als wetenschappers niet weten wat het voor de vogel doet.

Maar ze hebben een vrij goed idee van wat het voor ons zou kunnen doen.

Een nieuwe studie door de Rice University-chemicus Han Xiao, theoretisch fysicus Peter Wolynes en hun collega's toont aan dat aminozuur, sulfotyrosine (sTyr), een mutant van het standaard aminozuur tyrosine, een belangrijke bouwsteen is voor het programmeren van levende cellen die therapeutische eiwitten tot expressie brengen. Het zou cellen mogelijk kunnen laten dienen als sensoren die hun omgeving bewaken en reageren met de nodige behandeling.

Om het vermogen van de ibis om sTyr te synthetiseren en op te nemen in eiwitten na te bootsen, moet het DNA van een cel worden aangepast met een mutant codon dat op zijn beurt het transferase-enzym sulfotransferase 1C1 in de vogel maakt. Dit katalyseert de vorming van sTyr, een essentiële herkenningseenheid in een verscheidenheid aan biomoleculaire interacties.

De proof-of-concept-studie produceerde voor het eerst zoogdiercellen die sTyr synthetiseren. In een experiment maakte het Xiao-lab cellen die de potentie van trombineremmers, anticoagulantia die worden gebruikt om bloedstolling te voorkomen, versterkten.

Het onderzoek verschijnt in Nature Communications .

"In de natuur zijn de meeste van onze soorten gemaakt met 20 canonieke bouwstenen," zei Xiao. "Als je een extra bouwsteen wilt toevoegen, moet je nadenken over hoe je het gaat maken. Dat probleem hebben we opgelost:we kunnen de cel vragen om het te maken.

"Maar dan moeten we de translationele machinerie hebben om het te herkennen. En een speciaal codon om deze nieuwe bouwsteen te coderen," zei hij. "Met dit onderzoek hebben we aan alle drie deze vereisten voldaan."

Xiao ontving in 2019 een National Institutes of Health-beurs om te kijken of cellen konden worden geprogrammeerd om stoffen met extra aminozuren te maken. De nieuwe studie toont de dramatische vooruitgang van het lab aan.

Tot nu toe zouden wetenschappers chemisch gesynthetiseerde niet-canonieke aminozuren in cellen voeden. De cel het werk laten doen is veel efficiënter, zei Xiao, maar daarvoor moet een nieuw transferase-enzym worden ontdekt met tyrosinepockets dat sulfaat kan binden. Die slot-en-sleutelcombinatie zou dan kunnen worden gebruikt als basis voor een verscheidenheid aan katalysatoren.

"Nu, door deze nieuwe strategie om eiwitten te modificeren, kunnen we de structuur en functie van een eiwit volledig veranderen," zei hij. "Voor onze modellen voor trombineremmers hebben we aangetoond dat het aanbrengen van een onnatuurlijke bouwsteen in het medicijn het medicijn veel krachtiger kan maken."

Het was de moeite waard om te kijken of de natuur ze tot een bruikbaar codon had geslagen. Daarvoor schakelde Xiao Wolynes in, mededirecteur van het Centrum voor Theoretische Biologische Fysica, wiens laboratorium genoomdatabases vergeleek en sulfotransferase 1C1 in de ibis vond.

Het Xiao-lab gebruikte een gemuteerd amberstopcodon, een drie-nucleotidegroep van uracil, adenine en guanine, om te coderen voor het gewenste sulfotransferase, wat resulteerde in een volledig autonome zoogdiercellijn die in staat is sTyr te biosynthetiseren en met grote precisie in eiwitten op te nemen.

'We hebben geluk gehad,' zei Xiao. "Ibis is de enige soort die dit doet, die werd ontdekt door een zoektocht naar sequentieovereenkomst van genomische informatie. Daarna vroegen we of ze konden achterhalen waarom dit enzym tyrosine herkent, maar ons menselijke sulfotransferase niet."

Het Wolynes-team gebruikte AlphaFold2, een programma voor kunstmatige intelligentie dat is ontwikkeld door DeepMind van Alphabet/Google en dat eiwitstructuren voorspelt.

De onderzoekers verwachten de combinatie van bio-informatica en computationeel verbeterde screening te gebruiken om een ​​bibliotheek van gebiosynthetiseerde niet-canonieke aminozuren te produceren. + Verder verkennen

Chemici breiden de genetische code van E. coli uit om het 21e aminozuur te produceren, waardoor het nieuwe mogelijkheden krijgt