De Nobelprijs voor de Scheikunde 2018 ging naar drie wetenschappers die de methode ontwikkelden die eiwittechnologie voor altijd veranderde:gerichte evolutie. Natuurlijke evolutie nabootsen, gerichte evolutie leidt de synthese van eiwitten met verbeterde of nieuwe functies.

Eerst, het oorspronkelijke eiwit wordt gemuteerd om een ​​verzameling mutante eiwitvarianten te creëren. De eiwitvarianten die verbeterde of meer gewenste functies vertonen, worden geselecteerd. Deze geselecteerde eiwitten worden vervolgens opnieuw gemuteerd om een ​​nieuwe verzameling eiwitvarianten te creëren voor een nieuwe selectieronde. Deze cyclus wordt herhaald tot een laatste, gemuteerd eiwit is geëvolueerd met geoptimaliseerde prestaties in vergelijking met het oorspronkelijke eiwit.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het lab van Ardemis Boghossian bij EPFL, hebben gerichte evolutie kunnen gebruiken om geen eiwitten te bouwen, maar synthetische nanodeeltjes. Deze nanodeeltjes worden gebruikt als optische biosensoren - kleine apparaten die licht gebruiken om biologische moleculen in de lucht te detecteren, water, of bloed. Optische biosensoren worden veel gebruikt in biologisch onderzoek, Drug ontwikkeling, en medische diagnostiek, zoals realtime monitoring van insuline en glucose bij diabetici.

"Het mooie van gerichte evolutie is dat we een eiwit kunnen manipuleren zonder zelfs maar te weten hoe de structuur is gerelateerd aan zijn functie, " zegt Boghossian. "En we hebben deze informatie niet eens voor de grote, overgrote meerderheid van eiwitten."

Haar groep gebruikte gerichte evolutie om de opto-elektronische eigenschappen van in DNA gewikkelde enkelwandige koolstofnanobuisjes (of, DNA-SWCNT's, zoals ze worden afgekort), Dit zijn buizen van koolstofatomen van nanoformaat die lijken op opgerolde vellen grafeen bedekt met DNA. Als ze hun doelwit ontdekken, de DNA-SWCNT's zenden een optisch signaal uit dat door complexe biologische vloeistoffen kan dringen, zoals bloed of urine.

Met behulp van een gerichte evolutiebenadering, Het team van Boghossian was in staat om nieuwe DNA-SWCNT's te ontwikkelen met optische signalen die tot 56% werden verhoogd - en dat deden ze in slechts twee evolutiecycli.

"De meeste onderzoekers op dit gebied screenen gewoon grote bibliotheken van verschillende materialen in de hoop er een te vinden met de eigenschappen waarnaar ze op zoek zijn, " zegt Boghossian. "In optische nanosensoren, we proberen eigenschappen zoals selectiviteit, helderheid, en gevoeligheid. Door gerichte evolutie toe te passen, we bieden onderzoekers een begeleide benadering om deze nanosensoren te ontwikkelen."

De studie toont aan dat wat in wezen een bio-engineeringtechniek is, kan worden gebruikt om de opto-elektronische eigenschappen van bepaalde nanomaterialen rationeler af te stemmen. Boghossian legt uit:"Velden zoals materiaalwetenschap en natuurkunde zijn meestal bezig met het definiëren van materiële structuur-functierelaties, waardoor materialen die deze informatie missen moeilijk te engineeren zijn. Maar dit is een probleem dat de natuur miljarden jaren geleden heeft opgelost – en, in de afgelopen decennia, biologen hebben het ook aangepakt. Ik denk dat onze studie aantoont dat als materiaalwetenschappers en natuurkundigen, we kunnen nog een paar pragmatische lessen leren van biologen."