Биологи-синтетики, работающие над проектом армии США, разработали процесс, который может привести к новому классу синтетических полимеров, которые могут создать новые высокоэффективные материалы и терапевтические средства для солдат.
Nature Communications опубликовала исследование, проведенное финансируемыми армией исследователями из Северо-Западного университета, которые разработали набор правил проектирования, чтобы определить, как рибосомы, клеточная структура, производящая белок, могут включать новые виды мономеров, которые могут быть связаны с идентичные молекулы образуют полимеры.
«Эти результаты являются захватывающим шагом вперед к получению синтетических полимеров с заданной последовательностью, что было большой проблемой в области химии полимеров», - сказала д-р Даванн Пори, руководитель программы по химии полимеров в армейских исследованиях. Офис. «Возможность использовать и адаптировать клеточный механизм для производства небиологических полимеров, по сути, привнесет синтетические материалы в область биологических функций. материалы, представляющие интерес для армии."
Биологические полимеры, такие как ДНК, имеют точные последовательности строительных блоков, которые обеспечивают множество расширенных функций, таких как хранение информации и самовоспроизведение. В этом проекте рассматривалось, как перестроить биологическое оборудование, чтобы оно могло работать с небиологическими строительными блоками, что открыло бы путь к созданию синтетических полимеров с точностью биологии.
«Эти новые синтетические полимеры могут позволить разработать передовые средства индивидуальной защиты, сложную электронику, топливные элементы, современные солнечные элементы и нанотехнологии, которые являются ключом к защите и производительности солдат», - сказал Пори.
«Мы решили расширить ассортимент рибосомных мономеров для синтеза белка, чтобы открыть новые направления в биопроизводстве», - сказал Майкл Джуэтт, профессор кафедры передового опыта Чарльза Диринга Маккормика, профессор химической и биологической инженерии и директор Центр синтетической биологии в Инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета. «Что так интересно, так это то, что мы узнали, что рибосома может вмещать больше видов мономеров, чем мы ожидали, что готовит почву для использования рибосомы в качестве общей машины для создания классов материалов и лекарств, которые не были синтезированы раньше».
Производство рекомбинантного белка с помощью рибосомы изменило жизнь миллионов людей благодаря синтезу биофармацевтических препаратов, таких как инсулин, и промышленных ферментов, которые используются в стиральных порошках. Однако в природе рибосома только включает природные мономеры аминокислот в белковые полимеры.
Чтобы расширить репертуар мономеров, используемых рибосомой, команда Джеветта решила определить правила проектирования для связывания мономеров с переносящей рибонуклеиновой кислотой, известной как тРНК. Это потому, что заставить рибосому использовать новый мономер не так просто, как ввести новый мономер в рибосому. Мономеры должны быть присоединены к тРНК, молекулам, которые переносят их в рибосому. Многие современные процессы присоединения мономеров к тРНК сложны и требуют много времени, но относительно новый процесс, называемый флексизим, обеспечивает более простое и гибкое присоединение мономеров.
Чтобы разработать правила дизайна для использования флексизима, исследователи создали 37 мономеров, которые были новыми для рибосом из разнообразного репертуара каркасов. Затем они показали, что мономеры, которые можно присоединить к тРНК, можно использовать для создания десятков новых пептидных гибридов. Наконец, они подтвердили свои правила проектирования, предсказуемо направив поиск еще большего количества новых мономеров.
«С новыми правилами проектирования мы показываем, что можем избежать методов проб и ошибок, которые исторически были связаны с разработкой новых мономеров для использования рибосомой», - сказал Джуэтт.
Эти новые правила дизайна должны ускорить темпы, с которыми исследователи смогут включать новые мономеры, что в конечном итоге приведет к новым биопродуктам, синтезируемым рибосомой. Например, материалы, изготовленные из мономеров, устойчивых к протеазе, могут стать основой для создания противомикробных препаратов, которые борются с растущей устойчивостью к антибиотикам.
Исследование является частью программы многодисциплинарных университетских исследовательских инициатив Министерства обороны, поддерживаемой ARO, в рамках которой Джуэтт работает с исследователями из трех других университетов над реинжинирингом рибосомы в качестве биологического катализатора для создания новых химических полимеров. ARO является элементом США. Армейская исследовательская лаборатория Командования развития боевых возможностей.
«Удивительно, что рибосома может вместить весь спектр мономеров, который мы показали», - сказал Джуэтт. «Это действительно обнадеживает для будущих усилий по перепрофилированию рибосом».