我们可以产生有用的和不自然的化合物重组细胞的蛋白质工厂吗?

合成生物学家已经越来越创新工程酵母或细菌来生产有用的化学物质——从燃料到面料和毒品,超出了正常的微生物。

但是一群拥有多个大学的化学家们有一个更加雄心勃勃的目标:重组细胞的多肽制造厂-自旋氨基酸在蛋白质的核糖体产生聚合物链更复杂的比现在可以在一个细胞或一个试管。

2000万美元研究企业集中在加州大学伯克利分校现在报告重大进展的目标,就是明证三个新的论文解决三大障碍:如何重新编程细胞核糖体提供构件除了alpha-amino酸,今天所有的蛋白质;如何预测哪些构件使最好的基板;以及如何调整核糖体在聚合物中加入这些新的构建块。

美国国家科学基金会的终极目标中心的基因编码的材料(C-GEM)是翻译系统完全可编程,以便将信使rna指令引入细胞连同中发现新的构建块——不是alpha-amino今天将允许核糖体产生无限多样的新的分子链。这些链可以形成新生物技术的基础,新酶,甚至是新药物。

论文,期刊中出现的化学性质和ACS中央科学,是剧本的开始重建细胞合成的机械生产从未聚合物,包括生物聚合物和环状聚合物,称为肽重点,与预定的或完全不可预见的应用程序。

“C-GEM正在biosynthesize分子之前从来没有在一个细胞,是为了有独特的属性。高分子化学家可以应用广泛的工具,药物化学家和生物材料科学家,生成定制材料新的功能,“董事C-GEM说阿兰娜Schepartz,T.Z. Irmgard楚杰出的椅子上化学和加州大学伯克利分校的分子和细胞生物学教授。“最终目标是扩大蛋白质和多肽的功能和通用性,同时材料和药品。”

一个例子,她说,是程序核糖体合成聚合物,是一种介于蜘蛛丝——一个最艰难的天然蛋白质,尼龙聚合物化学反应室。虽然蜘蛛丝现在可以在转基因微生物技术C-GEM发展允许类似的微生物可以无限多样的聚合物混合丝和尼龙的基石,所有这些新化学家和独特的属性。这项技术也可以用于制造蛋白质像聚合物比自然更耐热蛋白质。

强大的可编程方面核糖体的机器,可以合成聚合物是它允许研究人员发展聚合物完善他们的活动,就像蛋白质在数亿年的进化过程改善的健康细胞和生物体。

“我们有蛋白质聚合物发展的地球上数十亿年来,但是我们被限制在这些聚合物是什么,因为构建块是相同的20种氨基酸,”说杰米美食加州大学伯克利分校教授化学和分子和细胞生物学。“如果我们能开发一个系统,你可以进化适用于这些新的聚合物,然后就像一个平台,有创意的人可以使用聚合物发展到他们想要的东西。”

这样一个系统建立在蛋白质酶的定向进化弗朗西斯·阿诺德,加州大学伯克利分校的校友,获得了2018年诺贝尔化学奖。

“这是一个超越发展中导演弗朗西斯·阿诺德所做的进化,”凯特说。”她开发蛋白质定向进化。我们要做的是建立一个方式,你可以这样做聚合物从未在自然进化。”

工程一个全新的核糖体

在所有细胞、蛋白质组装nanomachine,核糖体,接受指令从一个RNA分子称为信使RNA信使核糖核酸(mRNA)——类似于一个工作副本基因的DNA代码读取这些指令组装蛋白质,氨基酸,氨基酸。令人惊讶的是,线性蛋白质链几乎总是折叠成一个定义良好的三维结构,准备为它的进化目的:作为酶催化反应在细胞中,细胞的结构组件,或其他细胞活动的监管机构。

十年前,重组这一复杂nanomachine似乎是不可能的。但Schepartz韧性在推动项目完成这个目标了C-GEM三年,这是在第一个五年的资金循环。

中心的目标之一是提供与积木核糖体——所谓的单体——除了alpha-amino酸。为了实现这一目标,C-GEM团队集中在酶负载氨基酸单体上转移核糖核酸(tRNA),渡船的分子氨基酸核糖体。每个tRNA条形码来表示它的20种氨基酸。

在一个报道化学性质6月1日发表的论文和由Schepartz和研究生Riley Fricke和卡梅隆斯文森,研究小组发现,一个家庭的tRNA合成酶可以用四种不同负载tRNA non-alpha-amino酸。其中一个是一个构建块各种酮化合物的疗法,包括抗生素红霉素、四环素。

“我们发现负载酶转运rna与单体不同结构从任何加载tRNA,“Schepartz说。”一个单体前体,可以用来组装polyketide-like分子。数十年来科学家们一直试图重新合成酮化合物合成酶模块生成库的天然产品。这些研究告诉我们很多关于这些模块的复杂性,但工程部分已经非常困难。”

小说单体是欣然接受的原生细菌的核糖体大肠杆菌,表明可以将不同类型的化学反应通常all-amino酸蛋白质聚合物。

“抗生素耐药性是一个巨大的问题,”她补充道。“如果我们能够帮助解决这个问题通过生成新的分子的功能编码独特的行为模式,这将是一个巨大的贡献。”

在第二篇论文中,出现了5月30日在ACS中央科学第一作者和博士后Chandrima Mujumdar,美食和Schepartz、使用低温电子显微镜(低温电子显微镜)获得的详细结构三个相关单体-没有人alpha-amino酸绑定到大肠杆菌核糖体。细节展示这些单体绑定——尽管更糟糕比氨基酸——并提供提示如何改变单体或核糖体改善核糖体使用它们来构建新型聚合物的能力。

在第三个纸,出现了6月12日在化学性质美食,Schepartz作者佐伊华生,博士后,报告的低温电子显微镜结构大肠杆菌核糖体而绑定正常alpha-amino酸。对于本文来说,团队合作与公司圣地亚哥薛定谔inc .),它使用计算机模型蛋白结合。Ara Abramyan薛定谔的低温电子显微镜结构作为起点运行metadynamic模拟来帮助理解哪些非天然的单体反应在核糖体的催化中心-肽基转移酶中心(PTC),哪些不能。

Schepartz和凯特强调,所有这些调整核糖体系统必须独立工作在一个活细胞正常的核糖体的生产新聚合物不干扰日常生产生活所必需的蛋白质。

“我们希望酶-合成酶和可用于细胞核糖体,因为这样的工作将是可伸缩的,“Schepartz说。”这一目标需要健壮的核糖体,伟大的酶和化学的了解这些复杂分子机器是如何工作的。这是一个困难的问题,但是很多乐趣。我们可以让学生和博士后一些真正伟大的科学。”

引用:

Fricke R,斯文森简历,罗伊LT, et al . pyrrolysyl-transfer RNA酶合成酶的底物范围扩大到包括non-α-amino酸在体外和体内。Nat化学。2023:1-12。doi:10.1038 / s41557 - 023 - 01224 - y

Majumdar C,沃克JA,弗朗西斯MB, Schepartz,凯特JHD。对氨基苯甲酸衍生物妨碍诱导契合的催化中心的核糖体的结构。ACS分Sci。2023年。doi:10.1021 / acscentsci.3c00153

沃森ZL,努森IJ,病房FR, et al .原子论的模拟大肠杆菌核糖体提供转化活性基质的选择标准。Nat化学。2023:1-9。doi:10.1038 / s41557 - 023 - 01226 - w

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