Biomedizinische Ingenieure der Duke University haben einen neuen synthetischen Ansatz gezeigt, der Bakterien in die Herstellung von mehr spezifischem Protein, sogar Proteinen, die sie normalerweise zerstören würden, wie Antibiotika, aufladen.
Die Technik weist Bakterien an, synthetische störte Proteine zu produzieren, die sich zu Kompartimenten bilden, die als biologische Kondensate bezeichnet werden. Wenn diese Kompartimente mRNA -Anweisungen für bestimmte Proteine zusammen mit den zur Implementierung benötigten Maschinen fangen, können sie die Rate der Proteinproduktion erheblich verbessern.
Die Technik könnte ein Segen für Branchen sein, in dem Bakterien eine breite Palette von Produkten wie Pharmazeutika, Industriechemikalien und Biokraftstoffe hergestellt werden.
Die Ergebnisse erschienen online am 10. Februar im Journal Naturchemie.
Biologische Kondensate sind nützliche Werkzeuge, die bereits reichlich vorhanden sind. Alle Zellen verwenden Kondensate, um biomolekulare Maschinen zusammenzufangen oder zu trennen, um ihre Aktivität auf und ab zu wählen. Seit dem Phänomen im Jahr 2009 wurden ihre Verwendungen und Funktionen ein Thema intensiver Studie waren.
„Kondensate sind nützlich, damit die Zellen die Genexpression als Reaktion auf neue Bedingungen oder Herausforderungen vorübergehend kontrollieren, da sie durch die schnelle Kontrolle der Genexpression auf Proteinproduktionsebene und nicht auf DNA -Ebene Änderungen vornehmen können, in denen Proteine stattdessen in Minuten produziert werden Stunden oder sogar Tage. “ sagte Daniel Shapiro, ein Doktorand, der im Labor von Ashutosh Chilkoti arbeitete, dem angesehenen Professor für biomedizinische Ingenieurwesen von Alan L. Kaganov bei Duke. „Aber natürlich vorkommende Kondensate sind extrem kompliziert und schwer zu konstruieren. Unser Labor ist eine der wenigen Regiezellen, um synthetische Versionen herzustellen, die speziell auf unsere Zwecke zugeschnitten werden können.“
Das Chilkoti-Labor ist auf Elastin-ähnliche Polypeptide oder kurze Elpe spezialisiert. Diese langen, ungeordneten Proteine sind wie Nudelkugel, die auf das Zusammenklumpen zugeschnitten oder auf der Grundlage einer Vielzahl von Variablen wie Temperatur oder Säuregehalt aufgelöst werden können.
Im Jahr 2023 zeigte das Labor das erste, das zeigte, dass Bakterien so programmiert werden konnten, dass diese synthetischen, ungeordneten Proteine hergestellt werden und sie Kondensate bilden, die biologische Maschinerie beeinflussen.
„Diese Arbeit zeigte, dass wir als biomedizinische Ingenieure neue molekulare Teile von Grund auf entwerfen, die Zellen davon überzeugen, sie zu machen, und diese Teile in der Zelle zusammenzustellen, um eine neue Maschine herzustellen“, sagte Chilkoti. „Es waren die Anfänge eines aufstrebenden Feldes, das es uns nun ermöglicht, das Leben auf neue und aufregende Weise neu zu programmieren.“
Diese Forschung zeigte, dass synthetische biologische Kondensate biomolekulare Maschinen zusammenfassen könnten, um ihre Arbeit zu beschleunigen. Es war jedoch nicht versucht, die Zelle spezifisch anzuweisen, die sich verarbeitet, um zu beschleunigen oder welche Proteine produzieren sollen.
Diese neue Arbeit baut auf dieser Basis auf, um genau das zu tun. Die Forscher wiesen Bakterienzellen an, ELPs zu produzieren, die Kondensate bilden und auch an spezifische RNA -Sequenzen binden, die die Blaupausen zum Aufbau von Proteinen von DNA zum Rest der Zelle kopieren und tragen. Durch das Zusammenstellen dieser RNA-Sequenzen in ein dichtes Kondensat glauben die Forscher, dass sie für die Proteinherstellung der Zelle leichter verfügbar gemacht wurden, um sie zu finden und zu verwenden.
„Anstatt die RNA aus der Maschinerie der Zelle zu verstecken, scheint es alles in einer höheren Konzentration in eine Art Reaktionstiegel zu bringen, der die Rate der Proteinproduktion erhöht“, sagte Shapiro. „Sie können eine Zelle mehr RNA exprimieren lassen und mehr aus dem Protein machen, aber sobald die RNA gemacht ist, gibt es nur sehr wenige Möglichkeiten, die Rate zu verbessern, mit der Proteine daraus übersetzt werden. Das haben wir hier getan, was sehr aufregend ist . „
In Zukunft bauen die Forscher ihre Plattform weiter aus. Experimente zeigen beispielsweise, dass diese Kondensate, wenn sie so ausgelegt sind, dass sie viskoser sind, weniger Proteine produzieren. Mit solchen Effekten können das Team die Produktionsrate kontrollieren. Shapiro arbeitet auch daran, zu sehen, wie sich die Struktur der gezielten mRNA auf die Produktionsrate auswirkt.
Die Forschung könnte in mindestens zwei großen Branchenklassen nützlich sein. Viele biologische Therapeutika wie Antikörper, Impfstoffe und Immunproteine werden in Säugetierzellen hergestellt, da sie chemische Maschinen benötigen, die in Bakterien nicht vorhanden sind. Durch die Verwendung dieser synthetischen Kondensate sieht Shapiro einen Weg, um die erforderlichen Teile des Puzzles zusammenzufangen, um Bakterien effizient zu helfen, diese Therapeutika zu erzeugen. Die andere Möglichkeit besteht darin, Kondensate zu verwenden, um die produzierten Proteine so zu beschleunigen, dass sie das Wirtsbakterium nicht schädigen können, was eine häufige Straßensperre bei effizienter Herstellung von Antibiotika und anderen antimikrobiellen Proteinen ist.
Diese Forschung wurde vom Air Force Office of Scientific Research (FA9550-20-1-0241) und den National Institutes of Health (Mira R35GM127042) unterstützt.
