Rice University-kemikeren Han Xiao og hans team har med succes udvidet den genetiske kode for Escherichia coli-bakterier til at producere en syntetisk byggesten, en "ikke-kanonisk aminosyre." Resultatet er en levende indikator for oxidativ stress.
Arbejdet, siger de, er et skridt i retning af teknologier, der vil tillade generering af nye proteiner og organismer med en række nyttige funktioner.
Deres undersøgelse vises i Cell Press-tidsskriftet Chem.
Aminosyrer er byggestenene i DNA. Generelt behøver organismer kun 20 af dem for at programmere hele det sæt af proteiner, der er nødvendige for livet. Men Xiao satte sig ved hjælp af en bevilling på $1,8 millioner fra National Institutes of He alth til at se, hvordan en 21. aminosyre ville muliggøre design af "unaturlige organismer", der tjener specifikke formål.
Den nye undersøgelse gør netop dette ved at konstruere bakterier til at producere den ekstra aminosyre, kaldet 5-hydroxyl-tryptophan (5HTP), som optræder naturligt hos mennesker som en forløber for neurotransmitteren serotonin, men ikke i E. coli. Den nye produktion af 5HTP får bakterierne til at producere et protein, der fluorescerer, når organismen er under metabolisk stress.
"Processen kræver en masse tværfaglige teknikker," sagde Xiao. "I denne undersøgelse kombinerede vi syntetisk kemi, syntetisk biologi og metabolisk teknik for at skabe en stamme, der syntetiserer og koder for en 21. ikke-kanonisk aminosyre og derefter bruger den til at producere det ønskede protein."
Xiao sagde, at programmering af de autonome unaturlige bakterier var en tre-trins proces: For det første skabte forskerne ledet af kandidatstuderende Yuda Chen bioortogonale translationsmaskiner for aminosyren 5HTP. For det andet fandt og målrettede de et tomt kodon - en sekvens i DNA eller RNA, der ikke producerer et protein - og genetisk redigerede det til at kode for 5HTP. For det tredje, ved at pode enzymklynger fra andre arter ind i E. coli, gav de bakterierne evnen til at producere 5HTP.
"Disse 5HTP-holdige proteiner, isoleret fra de programmerede bakterier, kan yderligere mærkes med lægemidler eller andre molekyler," sagde Xiao. "Her viser vi, at stammen i sig selv kan tjene som en levende indikator for reaktive oxygenarter, og detektionsgrænsen er virkelig lav."
Mens forskere har rapporteret oprettelsen af mere end 200 ikke-kanoniske aminosyrer til dato, kan de fleste af dem ikke syntetiseres af deres værtsorganismer. "Dette har været et igangværende felt i årtier, men tidligere fokuserede folk på den kemiske del," sagde Xiao."Vores vision er at konstruere hele celler med den 21. aminosyre, som vil give os mulighed for at undersøge biologiske eller medicinske problemer i levende organismer, snarere end blot at beskæftige os med celler i laboratoriet.
"At flytte denne teknologi til værtsarten eliminerer behovet for at injicere kunstige byggesten i en organisme, fordi de kan syntetisere og bruge den på egen hånd," sagde han. "Det giver os mulighed for at studere ikke-kanoniske aminosyrer på et højere niveau af hele organismen."
I sidste ende håber forskerne, at tilpassede byggesten vil gøre det muligt for målrettede celler, som dem i tumorer, at fremstille deres egne terapeutiske lægemidler. "Det er en vigtig fremtidig retning for mit laboratorium," sagde Xiao. "Vi vil have celler til at opdage sygdom, lave bedre medicin og frigive dem i re altid. Vi synes ikke, det er for langt væk."
Medforfattere til papiret er Rice postdoc-stipendiater Juan Tang, Lushun Wang og Zeru Tian, bachelorstuderende Adam Cardenas og gæsteforsker Xinlei Fang og Abhishek Chatterjee, en assisterende professor i kemi ved Boston College. Xiao er Norman Hackerman-Welch Young Investigator og assisterende professor i kemi.
The Cancer Prevention and Research Institute of Texas, Robert A. Welch Foundation, en John S. Dunn Foundation Collaborative Research Award og en Hamill Innovation Award støttede forskningen.
