En los últimos años, los científicos han diseñado bacterias con códigos genéticos expandidos que producen proteínas a partir de una gama más amplia de bloques de construcción moleculares, abriendo un frente prometedor en la ingeniería de proteínas.
Ahora, los científicos de Scripps Research han demostrado que tales bacterias sintéticas pueden desarrollar proteínas en el laboratorio con propiedades mejoradas utilizando mecanismos que podrían no ser posibles con los bloques de construcción de 20 aminoácidos de la naturaleza.
Al exponer las bacterias con un código genético expandido artificialmente a temperaturas a las que normalmente no pueden crecer, los investigadores descubrieron que algunas de las bacterias desarrollaron nuevas proteínas resistentes al calor que permanecen estables a temperaturas donde normalmente se inactivarían. Los investigadores informaron sus hallazgos enel Revista de la Sociedad Americana de Química JACS .
Prácticamente todos los organismos en la tierra usan los mismos 20 aminoácidos que los bloques de construcción para producir proteínas, las moléculas grandes que llevan a cabo la mayoría de las funciones celulares. Peter Schultz, PhD, autor principal de la JACS artículo y presidente y CEO de Scripps Research, fue pionero en un método para reprogramar la propia maquinaria biosintética de proteínas de la célula para agregar nuevos aminoácidos a las proteínas, denominados aminoácidos no canónicos ncAA, con estructuras químicas y propiedades que no se encuentran en el común20 aminoácidos.
Este código genético expandido se ha usado en el pasado para diseñar racionalmente proteínas con propiedades novedosas para usarlas como herramientas para estudiar cómo funcionan las proteínas en las células y como nuevos medicamentos de ingeniería de precisión para el cáncer. Los investigadores ahora preguntaron si las bacterias sintéticas con genético expandidolos códigos tienen una ventaja evolutiva sobre aquellos que están limitados a 20 bloques de construcción: ¿es un código de 21 aminoácidos mejor que un código de 20 aminoácidos desde una perspectiva de aptitud evolutiva?
"Desde que expandimos por primera vez el rango de aminoácidos que se pueden incorporar en las proteínas, se ha trabajado mucho en el uso de estos sistemas para diseñar moléculas con propiedades nuevas o mejoradas", dice Schultz. "Aquí, hemos demostrado que la combinaciónun código genético expandido con una evolución de laboratorio puede crear proteínas con propiedades mejoradas que pueden no ser fácilmente alcanzables con el conjunto más limitado de la naturaleza ".
Los científicos comenzaron ajustando el genoma de E. coli para que las bacterias puedan producir la proteína homoserina o-succiniltransferasa metA usando un código de 21 aminoácidos en lugar del código común de 20 aminoácidos. Una enzima metabólica importante, metA dicta la temperatura máxima a la cual E. coli puede prosperar. Por encima de esa temperatura, metA comienza a inactivarse y la bacteria muere. Luego, los investigadores fabricaron mutantes de metA, en los que casi cualquier aminoácido en la proteína natural podría reemplazarse por un 21º aminoácido no canónico.
En este punto, permiten que la selección natural, el mecanismo central de la evolución, haga su magia. Al calentar las bacterias a 44 grados Celsius, una temperatura a la cual la proteína metA normal no puede funcionar y, como consecuencia, las bacterias no puedencrecer: los científicos ejercen presión selectiva sobre la población de bacterias. Como era de esperar, algunas de las bacterias mutantes pudieron sobrevivir más allá de su límite de temperatura típico, gracias a la posesión de un metA mutante que era más estable al calor; todas las demás bacterias murieron.
De esta forma, los investigadores lograron que la bacteria desarrollara una enzima metA mutante que podría soportar temperaturas 21 grados más altas de lo normal, casi el doble del aumento de la estabilidad térmica que las personas suelen lograr cuando se restringe a mutaciones limitadas al 20 amino comúnbloques de construcción ácidos.
Luego, los investigadores identificaron el cambio específico de la secuencia genética que resultó en el metA mutante y descubrieron que se debía a las propiedades químicas únicas de uno de sus aminoácidos no canónicos que la evolución de laboratorio explotó de una manera inteligente para estabilizar la proteína.
"Es sorprendente cómo hacer una mutación tan pequeña con un nuevo aminoácido que no está presente en la naturaleza conduce a una mejora tan significativa en las propiedades físicas de la proteína", dice Schultz.
"Este experimento plantea la pregunta de si un código de 20 aminoácidos es el código genético óptimo; si descubrimos formas de vida con códigos expandidos, tendrán una ventaja evolutiva, y cómo sería si Dios hubiera trabajado en el séptimodía y agregó algunos aminoácidos más al código? "
Además de Schultz, los autores del estudio, Mejorando la estabilidad de la proteína con aminoácidos no canónicos codificados genéticamente, incluyen a Jack C. Li, Tao Liu, Yan Wang y Angad P. Mehta, de Scripps Research. El estudio fue respaldado por NationalInstitutos de salud concesión R01 GM062159.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Investigación Scripps . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :