Расцветающая область исследований, искусственная биология, работает над созданием действительно нового организма. В Принстоне профессор химии Майкл Хехт и исследователи в его лаборатории разрабатывают и создают белки, которые могут складываться и имитировать химические процессы, поддерживающие жизнь. Их искусственные белки, закодированные синтетическими генами, имеют длину примерно в 100 аминокислот, используя бесконечно меняющееся расположение 20 аминокислот.
Теперь Хехт и его коллеги подтвердили, что по крайней мере один из их новых белков может катализировать биологические реакции, а это означает, что белок, созданный полностью с нуля, функционирует в клетках как настоящий фермент.
Ферменты являются ключом ко всей биологии, сказал Хект. «Биология - это система биохимических реакций и катализаторов. На каждом этапе есть фермент, который его катализирует, потому что в противном случае эти реакции не протекали бы достаточно быстро, чтобы существовала жизнь… Фермент - это белок, который является катализатором. лучшие катализаторы во Вселенной, потому что эволюция потратила миллиарды лет на их отбор. Ферменты могут увеличить скорость реакции на много порядков».
Как только Хехт и его исследовательская группа успешно создали искусственные белки для кишечной палочки, они начали искать критические функции, которые они могли бы нарушить в этих простых бактериях. Они обнаружили четыре гена, удаление которых не только сделало бы кишечную палочку инертной - фактически мертвой, - но и их искусственные белки могли бы «спасти» или реанимировать.
Впервые они обнаружили эти искусственные белки в 2011 году, и последние шесть лет они потратили на то, чтобы выяснить точные механизмы функционирования их новых белков, подробно описанные в статье от 15 января в Nature Chemical Biology.
Важно не предполагать, что искусственный белок будет работать так же, как натуральный, делецию которого он спасает, предупредил Хект.
Определение механизмов, используемых их искусственными белками, потребовало бесчисленных экспериментов. «У нас было четыре разных делеции генов - четыре разные ферментативные функции», - говорит Энн Доннелли, ведущий автор статьи.
После многих лет экспериментов команда пришла к выводу, что два из этих «спасательных» средств действуют путем замены ферментов - белков, которые служат катализаторами других реакций, помогая им работать достаточно быстро для поддержания жизни - белками, которые сами по себе ферментами не являются., но которые стимулируют производство других процессов в клетке, сказала она. Третий показывал прогресс, но четвертый разочаровал многих исследователей, пришедших в лабораторию Хехта.
Но затем Доннелли, которая была аспиранткой, когда проводила исследование, а сейчас работает специалистом по биоинформатике в Университете Питтсбурга, взломала код.
«Этот искусственный белок, Syn-F4, на самом деле был ферментом», - сказал Доннелли. "Это был невероятный и невероятный момент для меня - невероятный до такой степени, что я не хотел ничего говорить, пока не повторил это несколько раз."
Она рассказала только Кэти Дигианантонио, коллеге-аспиранту, и Гранту Мерфи, исследователю с докторской степенью, которые являются соавторами новой статьи. «Я сказал: «Я думаю, что это фермент». Я показал им исходные данные и сказал: «Майклу ничего не говорите. Позвольте мне сделать это еще раз». Доннелли повторно очистил белок и создал новый, совершенно чистый субстрат для кишечной палочки. «Я снова проверила все из разных препаратов - и когда результат подтвердился, я сказала Майклу», - сказала она.
Из исходного набора белков, которые могли спасти делеции генов, это единственный оказался ферментом - по крайней мере, пока, сказала она.
"У нас есть совершенно новый белок, способный поддерживать жизнь, фактически являясь ферментом - и это просто безумие", - сказал Хект.
Это имеет серьезные последствия для промышленности, сказал Джастин Сигел, директор факультета Инновационного института продуктов питания и здоровья и доцент кафедры химии, биохимии и молекулярной медицины в Центре генома Калифорнийского университета в Дэвисе, который не участвовал в исследования.
«Биотехнология обычно использует ферменты для выполнения промышленных процессов производства материалов, продуктов питания, топлива и лекарств», - сказал Сигел. «Использование этих ферментов в промышленных условиях часто начинается с фермента, который природа развивала в течение миллиардов лет для несвязанной с этим цели, а затем белок корректируется, чтобы улучшить его функцию для современного применения. Отчет здесь демонстрирует, что мы не больше не ограничивается белками, производимыми природой, и что мы можем создавать белки, на которые обычно уходят миллиарды лет, за считанные месяцы».
Команда Хехта создала штамм кишечной палочки, в котором отсутствовал фермент Fes, без которого он не может получить доступ к железу, необходимому для поддержания жизни.«Нам всем нужно железо», - сказал Хехт. «Несмотря на то, что на Земле много железа, биологически доступного железа нет». Он объяснил, что клетки выработали такие молекулы, как энтеробактин, которые могут удалять железо из любого доступного источника, но затем им нужен инструмент, такой как Fes, чтобы вырвать железо из жесткой хватки энтеробактина.
Этот модифицированный штамм E. coli не мог извлечь или гидролизовать железо из своего энтеробактина, пока его не «спас» Syn-F4. Исследователи снабдили E. coli железом, но оно только окрашивало клетки в красный цвет, поскольку, хотя они могли накапливать связанный металл, они не могли высвобождать его из энтеробактина или получать доступ к нему для клеточного использования.
"А потом Энн заметила… они больше не красные, они белые, что говорит о том, что клетки могут расщеплять это и получать железо, что предполагает, что у нас действительно есть фермент!" - сказал Хехт.
«Миллионы лет эволюции привели к Fes, совершенно хорошему ферменту для гидролиза энтеробактина», - сказал Уэйн Патрик, старший преподаватель биохимии в Университете Отаго в Новой Зеландии, который не участвовал в исследовании.«Достаточно легко изучить структуру, функцию и механизм Fes и сделать вывод о его эволюции, сравнивая его с родственными последовательностями. Но гораздо сложнее (и интереснее) спросить, является ли Fes решением биохимической проблемы. проблема гидролиза энтеробактина - или это одно из многих решений Доннелли и др. показали, что фермент, который никогда не рождался (кроме как искусственно, в их лаборатории), тем не менее, мог бы быть столь же хорошим решением (если бы ему дали возможность).
"Эта цепочка рассуждений имеет несколько следствий," объяснил Патрик. «Один для жизни, которую еще предстоит открыть на Земле. Возможно, однажды мы найдем природный фермент, который выглядит как Syn-F4, но занимает место Fes в том или ином микроорганизме. По крайней мере, сейчас мы Знать, чтобы искать. Еще одно значение для астробиологии. Если есть много равновероятных решений биохимической проблемы, становится более вероятным, что решение было найдено где-то еще во Вселенной."
Исследователи находятся на пороге настоящей синтетической биологии, сказал Хехт.
"E. coli имеет 4000 различных генов", сказал он. «Мы не тестировали все 4 000, потому что единственный способ, которым работает этот эксперимент, - это если ничего не растет на минимальной среде, а из 4 000 это верно только для некоторых.
Мы начинаем кодировать искусственный геном. Мы спасли 0,1 процента генома кишечной палочки… Пока это странная кишечная палочка с некоторыми искусственными генами, которые позволяют ей расти. Предположим, вы заменяете 10 или 20 процентов. Тогда это не просто странная кишечная палочка с какими-то искусственными генами, тогда вы должны сказать, что это новый организм».