Syntetisk sex i gær lover sikrere medicin for mennesker

Vores gamle ven Saccharomyces cerevisiae – gæren, der har hjulpet folk med at bage brød og brygge øl i årtusinder – har netop fået opgraderet sit sexliv.

Bioingeniører ved University of Washington har omprogrammeret parringsvanerne for denne encellede organisme, lade svampen få det på som aldrig før. Resultatet? En seksuel revolution, der kan føre videnskabsmænd til sikrere fremtidig medicin.

Gær som laboratoriemarsvin

Vi er allerede afhængige af gær til meget mere end bare fermenteret mad. Meget af vores moderne forståelse af genetik og cellebiologi er kommet fra omhyggelig undersøgelse og manipulation af svampen.

Forskere og lægemiddeldesignere elsker at arbejde med gær på grund af dens hurtige cellecyklus (en ny generation fødes hvert 90. minut) og den relative lethed, hvormed dens gener kan justeres. Selv menneskelige gener og gener, der koder for proteinbaserede lægemidler, kan splejses i, giver forskerne mulighed for at studere dem i laboratoriet i detaljer. Lægemidler mod kræft er blevet optimeret på denne måde.

En af de mest populære teknikker til denne type biomolekylær forskning er kendt som gæroverfladevisning. Ved at bruge denne metode, et gen kan tilføjes til gær, og det resulterende protein vil dukke op på den let tilgængelige ydre overflade af cellen. Med et nyt protein vist på overfladen, forskere kan nemt afgøre, hvilke andre biomolekyler proteinet interagerer med.

Denne metode, pioner i Dane Wittrups laboratorium, udnytter aspekter af svampens seksuelle maskineri.

Ja, selv encellede mikrober kan have sex. Men som det ofte er tilfældet uden for dyreriget, måden DNA udskiftes på kan virke usædvanlig for menneskelige observatører.

Svampe utugt

Udtrykkene "han" og "hun" gælder ikke rigtigt for spirende gær. I stedet for at danne sæd eller æg, kønscellerne i gær ser alle ens ud - som små, enkeltcellede klatter. Det, der gør to gærklatter i stand til at formere sig seksuelt, er deres såkaldte parringstyper.

Proteinerne, der dekorerer ydersiden af ​​en gær kønscelle, eller kønsceller, bestemme den celles parringstype. Tag kopier af ét protein på, og du er én parringstype; skift dem ud med et andet protein, og du er den anden. Agglutination (den usexede betegnelse for gærsex) sker kun, når overfladeproteinerne på gærgameter fra modsatte parringstyper interagerer.

Inspireret af denne molekylære præcision, et team af syntetiske biologer ledet af University of Washington kandidatstuderende David Younger indså, at de kunne konvertere det naturlige gærparringssystem til et nyt værktøj, der ville lade dem præcist måle molekylære interaktioner i en meget større skala.

Selvom det er lille og svært at måle, molekylære interaktioner er en stor ting i lægemiddeldesign. Stort set alle lægemidler virker via specifikke interaktioner med sit mål, og medicin, der binder, hvor de ikke burde, kan være dødelige.

Nogle eksperter giver interaktioner uden for målet skylden for sidste års mislykkede fase III kliniske forsøg med Alnylam Pharmaceuticals' revusiran, et RNA-lægemiddel designet til at behandle en sjælden hjertesygdom. Nitten mennesker døde før retssagen blev aflyst, og selskabets aktie blev ramt på 3 milliarder USD.

At finde ud af, om et nyt lægemiddel binder det, det skal, er relativt nemt; Det er svært at finde ud af, om det binder noget andet i vores celler. Etablerede laboratorieteknikker som gæroverfladevisning har hjulpet videnskabsmænd med at screene nye lægemidler for potentielt farlige interaktioner uden for målet, før de når til kliniske forsøg, men denne teknik lader dig kun lede efter interaktioner uden for målet én ad gangen. Youngers team forestillede sig en måde at teste hundredvis af stoffer mod tusindvis af potentielle mål, alt sammen ved at redesigne gærsex.

Redesign af gærsex med flere parringstyper

At begynde, Younger havde brug for en måde at præcist måle parringseffektiviteten i laboratoriedyrket gær. Perfekt effektivitet ville betyde, at hver celle, der kunne smelte sammen, ville gøre det. Jo mere effektiv parringen er, jo bedre matchede de to parringstyper.

Holdet sammenkædede genetisk kodede fluorescerende markører - en blå, en rød – til hver af de naturlige gærparringstyper. Det gjorde det nemt at måle parringseffektiviteten for en hel gærpopulation:De kunne bare tælle de celler, der forblev blå eller røde (uparrede) i forhold til dem, der blev lilla (parrede). Det viser sig for typisk gær dyrket i laboratoriet, parringseffektiviteten er omkring 60 procent.

Holdet slettede derefter de naturlige agglutinationsproteiner og erstattede dem med et par fremmede proteiner, der vides at interagere svagt. Parringseffektiviteten faldt tidoblet til 5,7 procent. De byttede i et andet par og så det stige til 19 procent. Da de prøvede et tredje par proteiner kendt for at interagere med meget højere affinitet, parringseffektiviteten steg til 51,6 procent - tæt på, hvad man så ved naturlig agglutination.

Bare ved at spore parringseffektivitet, holdet kunne fortælle, hvor stærkt to proteinmolekyler interagerer. Da de tjekkede et par proteiner, der slet ikke burde interagere, parringseffektiviteten var sølle 0,2 procent.

Nu, i stedet for kun de to naturlige parringstyper, videnskabsmænd kan hurtigt konstruere tusindvis af "køn" ved at lokke individuelle gær til at dekorere ydersiden af ​​deres celler med nye, menneskespecificerede proteiner. Hvis et par nye parringstyper er seksuelt kompatible - hvilket betyder, at proteinerne, der dekorerer deres celleoverflader, interagerer - vil deres afkom stige i antal. Ved at optælle hvert genetisk distinkt afkom i et rør, der ikke er meget større end et fingerbøl, tusindvis af potentielle molekylære interaktioner kan kvantificeres.

Forbedring af lægemiddelsikkerhed

For at vise, at deres nye værktøj kunne hjælpe med udvikling af lægemidler, holdet genererede 1, 400 forskellige varianter af et spirende anti-cancerlægemiddel kendt som XCDP07. Lægemidlet formodes at forstyrre den uhæmmede vækst af kræftceller ved at binde specifikke cellulære mål, men som med alle stoffer, betydelige interaktioner uden for målet kan gøre det ubrugeligt. Ved at blande gær, der viser forskellige versioner af lægemidlet, med anden gær, der viser humane proteiner, holdet var i stand til at identificere versioner af XCDP07, som kun var bundet til det tilsigtede mål.

Younger arbejder på at få sit nye værktøj i hænderne på flere videnskabsmænd. Han har allerede foræret sine konstruerede gærstammer til ivrige forskere ved Stanford, Yale, UCSD og videre. Bekymringer over omkostningerne og sikkerheden ved nye lægemidler har motiveret ham til at starte en virksomhed – finansieret af videnskabelige bevillinger, ikke investorer – for at omsætte sine resultater til den næste generation af medicin. Younger siger, at målet er at give "omfattende præklinisk lægemiddelscreening, snarere end den nuværende praksis med at screene en meget lille delmængde af mulige interaktioner uden for målet."

De næste blockbuster-stoffer kan stå i gæld til gær og deres parringspraksis. Hvem siger, at man ikke kan lære en gammel svamp nye tricks?

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.