Ny metode til konstruktion af metaboliske veje

Celler er utroligt dygtige til at skabe komplekse molekyler, ligesom terapi, og kan gøre så meget bedre end mange af vores bedste fabrikker.

Syntetiske biologer søger at genkonstruere celler til at lave disse molekyler til specifikke behov, herunder lægemidler og energianvendelser. Men prøve-og-fejl-processen er vanskelig og tidskrævende, og konkurrerer ofte med cellens andre mål og processer, som vækst og overlevelse.

En ny metode udviklet ved Northwestern University kombinerer to state-of-the-art forskningsmetoder til at skabe en hurtig, effektiv måde at konstruere og analysere metaboliske veje på.

Fremgangsmåderne-cellefri proteinsyntese og selvsamlet massespektrometri i enkeltlags desorptionsionisering (SAMDI)-kombineres til at skabe et nyt værktøj til at hjælpe ingeniører med bedre at forstå vejene til at skabe molekyler.

"Med disse to metoder, vi kan bygge tusindvis af potentielle blandinger og teste dem alle på en enkelt dag, en meget hurtigere proces, der vil give ny indsigt og designregler for syntetiske biologer, "sagde Milan Mrksich, Henry Wade Rogers professor i biomedicinsk teknik, Kemi, og celle- og molekylærbiologi ved Northwestern's McCormick School of Engineering. Han er også meddirektør for Northwestern's Center for Synthetic Biology.

Resultaterne blev offentliggjort 5. juni i tidsskriftet Videnskab fremskridt . Michael Jewett, Charles Deering McCormick -professor i undervisningskvalitet, professor i kemisk og biologisk teknik, og meddirektør for Center for Syntetisk Biologi, er en medsvarende forfatter til forskningen.

Oprettelse af enzymer gennem cellefri syntese

Celler udvikler komplekse molekyler gennem enzymer, proteinet, der bruges til at omdanne et molekyle til et andet. Gennem en række af disse konverteringer, en metabolit bliver et komplekst molekyle, en, der ofte er forbundet med samfundsmæssig fordel.

For ingeniører at efterligne denne proces, de skal identificere, hvilke enzymer der kræves for at give dem det ønskede molekyle. Når de forstår den metaboliske vej, de kan konstruere en celle - ofte en bakteriecelle - til at lave enzymerne til at skabe målmolekylet. For eksempel, Coenzym A (CoA) er et centralt molekyle i metabolisme, og syntetiske biologer har brugt sine afhængige veje til at konstruere lægemidler mod malaria, ølgær, og avancerede biobrændstoffer.

Men at finde disse veje er en prøve-og-fejl-proces, der kan tage dage med kræfter både at konstruere og derefter teste resultatet. For at komme forbi dette, Jewett's laboratorium har udviklet en proces med cellefri proteinsyntese, der skaber netop de enzymer, der er nødvendige for at lave målproduktmolekylerne, men uden at skulle bruge hele cellen selv. Her, laboratoriet skabte enzymer, som giver dem mulighed for at blande og matche potentielle enzymer i reaktionsrør uden at have deres endelige mål konkurrere med en celles andre mål, som at opretholde sit stofskifte.

"Cellefri proteinsyntese er virkelig en spændende teknologi, "Jewett sagde." Den cocktailbaserede tilgang til konstruktion af biosyntetiske funktioner ved hjælp af cellefrie systemer, som vi beskriver her, opnår en hidtil uset designfrihed til at udvide naturlige biokatalysatorers muligheder. "

Analyserer hurtigt med SAMDI

Når disse løsninger er oprettet, test af deres succes kræver mindst en halv time pr. prøve. Fordi der er så mange mulige løsninger, at manuel proces ikke er effektiv nok til at søge efter de optimale resultater.

Det er her Mrksichs SAMDI massespektrometri kommer ind. Teknologien måler biokemiske reaktioner ekstremt hurtigt og billigt. "Vi kan let teste 10, 000 reaktionsblandinger på en enkelt dag for at bestemme, hvilke molekyler der blev syntetiseret, og hvor meget af hver, der er til stede i reaktionsblandingerne, "Sagde Mrksich.

Derudover metoden giver dem mulighed for at observere alle de molekyler, der er til stede i reaktionen, hvilket betyder, at de kan finde molekyler, som de ikke nødvendigvis søgte efter i første omgang. "Det er ret spændende, "Mrksich sagde." Det er et kraftfuldt videnskabeligt værktøj, der lærer os om, hvordan disse reaktioner er afbalancerede og afvejer hinanden i cellen. "

Oprettelse af fabrikker med celler

For at bevise denne metode, forskerne syntetiserede hydroxymethylglutaryl-CoA (HMG-CoA), en almindelig metabolit, der bruges til syntese af mange komplekse molekyler, herunder en klasse af vigtige molekyler kendt som isoprenoider (herunder steroider og kræftlægemidler), og kortlagt mere end 800 unikke reaktionsbetingelser.

"I dag, et typisk syntetisk biologiprojekt kan undersøge snesevis af varianter af en vej, "Sagde Jewett." Med vores metode, vi viser, at det er muligt at teste hundredvis til tusinder af vejvariationer. Dette er vigtigt, fordi det vil muliggøre nye typer datadrevet design for at lette vejoptimering. "

Fordi SAMDI -metoden skaber så mange datapunkter for hver test, forskerne håber fremover at anvende flere maskinlærings- og kunstig intelligens -metoder til at hjælpe dem med at analysere og give mening om alle dataene.

Det endelige mål er at have nok forståelse til at udnytte en celles magt til at skabe næste generations lægemidler og bæredygtige kemikalier til energi. Ligesom hurtige stigninger i ydeevnen for beregningsudstyr - beskrevet i Moores lov - har haft en dybtgående indvirkning på hele beregnings- og forbrugerelektronikindustrien, "denne tilgang repræsenterer det næste trin inden for teknik, der vil have en analog indvirkning på syntetisk biologi for alle dens anvendelser, Sagde Jewett.

"Forestil dig at udskifte hele fabrikker med en tønde bakterier, "Mrksich sagde." Disse bakterieceller kan konstrueres til at producere vores målmolekyler, uden de høje temperaturer og usikre opløsningsmidler og kemikalier, der normalt kræves .. Det er en attraktiv vej til fremstilling af kemikalier, og med denne nye proces, vi har forbedret effektiviteten betydeligt, hvormed vejene kan opdages og optimeres. "