Kemikere syntetiserer millioner af proteiner, der ikke findes i naturen

MIT-kemikere har udtænkt en måde til hurtigt at syntetisere og screene millioner af nye proteiner, der kunne bruges som lægemidler mod ebola og andre vira.

Alle proteiner produceret af levende celler er fremstillet af de 20 aminosyrer, der er programmeret af den genetiske kode. MIT-teamet fandt på en måde at samle proteiner fra aminosyrer, der ikke bruges i naturen, herunder mange, der er spejlbilleder af naturlige aminosyrer.

Disse proteiner, som forskerne kalder "xenoproteiner, "giver mange fordele i forhold til naturligt forekommende proteiner. De er mere stabile, hvilket betyder, at i modsætning til de fleste proteinlægemidler, de kræver ikke køling, og kan ikke fremkalde et immunrespons.

"Der er ingen anden teknologisk platform, der kan bruges til at skabe disse xenoproteiner, fordi folk ikke har gennemarbejdet evnen til at bruge helt ikke-naturlige sæt af aminosyrer gennem hele molekylets form, " siger Brad Pentelute, en MIT lektor i kemi og seniorforfatter af papiret, som fremgår af Procedurer fra National Academy of Sciences ugen den 21. maj.

Zachary Gates, en MIT postdoc, er hovedforfatter af papiret. Timothy Jamison, leder af MIT's Institut for Kemi, og medlemmer af hans laboratorium bidrog også til papiret.

Ikke-naturlige proteiner

Pentelute og Jamison lancerede dette projekt for fire år siden, samarbejder med Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), som bad dem om at finde på en måde at skabe molekyler, der efterligner naturligt forekommende proteiner, men er lavet af ikke-naturlige aminosyrer.

"Missionen var at generere opdagelsesplatforme, der giver dig mulighed for kemisk at fremstille store biblioteker med molekyler, der ikke findes i naturen, og derefter gennemse disse biblioteker efter den særlige funktion, du ønskede, " siger Pentelute.

Til dette projekt, forskergruppen byggede på teknologi, som Pentelutes laboratorium tidligere havde udviklet til hurtigt at syntetisere proteinkæder. Hans bordmaskine kan udføre alle de kemiske reaktioner, der er nødvendige for at samle aminosyrer, syntetisere de ønskede proteiner inden for få minutter.

Som byggesten til deres xenoproteiner, forskerne brugte 16 "spejlbillede"-aminosyrer. Aminosyrer kan eksistere i to forskellige konfigurationer, kendt som L og D. L- og D -versionerne af en bestemt aminosyre har den samme kemiske sammensætning, men er spejlbilleder af hinanden. Celler bruger kun L -aminosyrer.

Forskerne brugte derefter syntetisk kemi til at samle titusinder af proteiner, hver cirka 30 aminosyrer i længden, hele D -konfigurationen. Disse proteiner havde alle en lignende foldet struktur, der er baseret på formen af ​​et naturligt forekommende protein kendt som en trypsinhæmmer.

Før denne undersøgelse, ingen forskergruppe havde været i stand til at skabe så mange proteiner lavet udelukkende af ikke-naturlige aminosyrer.

"Der er blevet gjort en betydelig indsats for udvikling af metoder til inkorporering af ikke -naturlige aminosyrer i proteinmolekyler, men disse er generelt begrænsede med hensyn til antallet af ikke -naturlige aminosyrer, der samtidigt kan inkorporeres i et proteinmolekyle, " siger Gates.

Efter syntese af xenoproteiner, forskerne screenede dem for at identificere proteiner, der ville binde til et IgG -antistof mod et influenzavirusoverfladeprotein. Antistofferne blev mærket med et fluorescerende molekyle og derefter blandet med xenoproteinerne. Ved at bruge et system kaldet fluorescensaktiveret cellesortering, forskerne var i stand til at isolere xenoproteiner, der binder til det fluorescerende IgG-molekyle.

Denne skærm, som kun kan udføres på få timer, afslørede flere xenoproteiner, der binder til målet. I andre forsøg, ikke offentliggjort i PNAS-avisen, forskerne har også identificeret xenoproteiner, der binder til miltbrandtoksin og til et glykoprotein produceret af ebola-virus. Dette arbejde er i samarbejde med John Dye, Spencer Stonier, og Christopher Cote ved U.S. Army Medical Research Institute of Infectious Diseases.

Bygget efter behov

Forskerne arbejder nu på at syntetisere proteiner modelleret på forskellige stilladsformer, og de søger efter xenoproteiner, der binder til andre potentielle lægemiddelmål. Deres langsigtede mål er at bruge dette system til hurtigt at syntetisere og identificere proteiner, der kan bruges til at neutralisere enhver form for nye infektionssygdomme.

"Håbet er, at vi kan opdage molekyler på en hurtig måde ved hjælp af denne platform, og vi kan kemisk fremstille dem efter behov. Og efter vi har lavet dem, de kan sendes overalt uden køling, til brug i marken, " siger Pentelute.

Ud over potentielle lægemidler, forskerne håber også at udvikle "xenozymer" - xenoproteiner, der kan fungere som enzymer til at katalysere nye typer kemiske reaktioner.