Un campo de investigación emergente, la biología artificial, está trabajando para crear un organismo genuinamente nuevo. En Princeton, el profesor de química Michael Hecht y los investigadores de su laboratorio están diseñando y construyendo proteínas que pueden plegar e imitar los procesos químicos que sostienen la vida.Sus proteínas artificiales, codificadas por genes sintéticos, tienen aproximadamente 100 aminoácidos de largo, utilizando una disposición infinitamente variable de 20 aminoácidos.
Ahora, Hecht y sus colegas han confirmado que al menos una de sus nuevas proteínas puede catalizar reacciones biológicas, lo que significa que una proteína diseñada completamente desde cero funciona en las células como una enzima genuina.
Las enzimas son clave para toda la biología, dijo Hecht. "La biología es el sistema de reacciones bioquímicas y catalizadores. Cada paso tiene una enzima que lo cataliza, porque de lo contrario esas reacciones no serían lo suficientemente rápidas para que exista la vida .... Una enzima es una proteína que es un catalizador. Son los mejores catalizadores del universo porque la evolución ha pasado miles de millones de años seleccionándolos. Las enzimas pueden aumentar la velocidad de una reacción en muchos órdenes de magnitud ".
Una vez que Hecht y su equipo de investigación habían creado con éxito proteínas artificiales para E. coli, comenzaron a buscar funciones críticas que podrían interrumpir en estas bacterias simples. Encontraron cuatro genes que, cuando se eliminan, no solo producirían la E. coliinerte, efectivamente muerto, pero que sus proteínas artificiales podrían "rescatar" o resucitar.
Identificaron por primera vez estas proteínas artificiales en 2011, y han pasado los últimos seis años trabajando para descubrir los mecanismos precisos por los cuales funcionaban sus nuevas proteínas, ahora detalladas en un artículo del 15 de enero Biología química de la naturaleza .
Hecht advirtió que es importante no suponer que una proteína artificial funcionará de la misma manera que la natural cuya eliminación está rescatando.
La determinación de los mecanismos que usaron sus proteínas artificiales tomó innumerables experimentos. "Tuvimos cuatro deleciones genéticas diferentes, cuatro funciones enzimáticas diferentes", dijo Ann Donnelly, autora principal del artículo.
Después de años de experimentos, el equipo había concluido que dos de estos "rescates" operan reemplazando las enzimas, proteínas que sirven para catalizar otras reacciones, ayudándolas a operar lo suficientemente rápido como para mantener la vida, con proteínas que no eran enzimas en sí mismas,pero que impulsan la producción de otros procesos en la célula, dijo. El tercero estaba mostrando progreso, pero el cuarto había frustrado a varios investigadores que acudieron al laboratorio de Hecht
Pero entonces Donnelly, que era una estudiante graduada cuando hizo la investigación y ahora es especialista en investigación en bioinformática en la Universidad de Pittsburgh, descifró el código.
"Esta proteína artificial, Syn-F4, en realidad era una enzima", dijo Donnelly. "Ese fue un momento increíble e increíble para mí, increíble hasta el punto de que no quería decir nada hasta que lo repitiera".varias veces."
Solo le dijo a Katie Digianantonio, una estudiante de posgrado, y a Grant Murphy, investigador postdoctoral, coautores del nuevo artículo. "Dije: 'Creo que esto es una enzima'. Les mostré los datos inicialesy dijo: "No le digas nada a Michael. Déjame volver a hacer esto". Donnelly volvió a purificar la proteína y creó un sustrato nuevo y perfectamente puro para la E. coli.y cuando el resultado se mantuvo, le dije a Michael ", dijo.
Del conjunto original de proteínas que podrían rescatar las deleciones genéticas, esta es la única que resultó ser una enzima, al menos hasta ahora, dijo.
"Tenemos una proteína completamente nueva que es capaz de mantener la vida siendo realmente una enzima, y eso es una locura", dijo Hecht.
Esto tiene implicaciones significativas para la industria, dijo Justin Siegel, director de la facultad del Instituto de Innovación para la Alimentación y la Salud y profesor asistente de química, bioquímica y medicina molecular en el Centro del Genoma de UC Davis, que no participó en la investigación.
"La biotecnología comúnmente usa enzimas para llevar a cabo procesos industriales para la producción de materiales, alimentos, combustibles y medicamentos", dijo Siegel. "El uso de estas enzimas en un entorno industrial a menudo comienza con una enzima que la naturaleza evolucionó durante miles de millones de añospara un propósito no relacionado, y luego la proteína se ajusta para refinar su función para la aplicación moderna. El informe aquí demuestra que ya no estamos limitados a las proteínas producidas por la naturaleza, y que podemos desarrollar proteínas, que normalmente hubieran tomadomiles de millones de años para evolucionar, en cuestión de meses "
El equipo de Hecht había creado una cepa de E. coli a la que le faltaba la enzima Fes, sin la cual no puede acceder al hierro necesario para mantener la vida. "Todos necesitamos hierro", dijo Hecht. "Aunque el hierro es abundante en la tierra,El hierro biológicamente accesible no lo es ". Las células han desarrollado moléculas como la enterobactina, explicó, que pueden eliminar el hierro de cualquier fuente disponible, pero luego necesitan una herramienta, como Fes, para quitar el hierro del fuerte agarre de la enterobactina.
Esta cepa de E. coli modificada no tenía forma de extraer o hidrolizar el hierro de su enterobactina, hasta que fue "rescatada" por Syn-F4. Los investigadores habían suministrado hierro a la E. coli, pero solo tiñeroncélulas rojas, ya que aunque podrían acumular el metal unido, no pudieron liberarlo de la enterobactina ni acceder a él para uso celular.
"Y luego Ann se dio cuenta ... ya no son rojas, son blancas, lo que sugiere que las células pueden descomponer esto y obtener el hierro, lo que sugiere que realmente tenemos una enzima", dijo Hecht.
"Millones de años de evolución dieron como resultado Fes, una enzima perfectamente buena para hidrolizar la enterobactina", dijo Wayne Patrick, profesor titular de bioquímica de la Universidad de Otago en Nueva Zelanda, que no participó en la investigación ".es bastante fácil estudiar la estructura, función y mecanismo de Fes e inferir algo sobre su evolución comparándolo con secuencias relacionadas, pero es mucho más difícil y más interesante preguntar si Fes es la solución al problema bioquímico de la hidrolizaciónenterobactina, o si es una de las muchas soluciones, Donnelly et al. han demostrado que una enzima que nunca nació excepto artificialmente en su laboratorio, sin embargo, podría haber sido una solución igualmente buena si se le hubiera dado la oportunidad.
"Esa línea de razonamiento tiene varias implicaciones", explicó Patrick. "Una es para la vida que queda por descubrir en la Tierra. Quizás algún día, encontremos una enzima natural que se parezca a Syn-F4 pero tome el lugarde Fes en un microorganismo u otro. Al menos ahora, sabremos que debemos mirar. Otra implicación es para la astrobiología. Si hay muchas soluciones igualmente probables para un problema bioquímico, es más probable que se haya encontrado una solución en otra parte deluniverso."
Los investigadores están en la cúspide de una verdadera biología sintética, dijo Hecht.
"E. coli tiene 4,000 genes diferentes", dijo. "No probamos los 4,000, porque la única forma en que funciona este experimento es si nada crece en un medio mínimo, y de los 4,000, eso es cierto para algunos.
"Estamos empezando a codificar un genoma artificial. Hemos rescatado el 0.1 por ciento del genoma de E. coli ... Por ahora, es una extraña E. coli con algunos genes artificiales que le permiten crecer. Supongamosreemplaza el 10 por ciento o el 20 por ciento. Entonces no es solo una extraña E. coli con algunos genes artificiales, entonces tiene que decir que es un organismo nuevo ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Liz Fuller-Wright. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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