Hærprojekt kan føre til en ny klasse af højtydende materialer

Syntetiske biologer, der arbejder på et amerikansk hærsprojekt, har udviklet en proces, der kan føre til en ny klasse af syntetiske polymerer, der kan skabe nye højtydende materialer og terapeutiske midler til soldater.

Naturkommunikation offentliggjort forskning udført af hærfinansierede forskere ved Northwestern University, der udviklede et sæt designregler for at guide, hvordan ribosomer, en cellestruktur, der danner protein, kan inkorporere nye former for monomerer, som kan bindes med identiske molekyler til dannelse af polymerer.

"Disse fund er et spændende skridt fremad for at opnå sekvensdefinerede syntetiske polymerer, hvilket har været en stor udfordring inden for polymerkemi, sagde doktor Dawanne Poree, programleder, polymerkemi ved Army Research Office. "Evnen til at udnytte og tilpasse cellulære maskiner til at producere ikke-biologiske polymerer ville, i det væsentlige, bringe syntetiske materialer ind i biologiske funktioner. Dette kan gøre avanceret, højtydende materialer såsom nanoelektronik, selvhelbredende materialer, og andre materialer af interesse for hæren. "

Biologiske polymerer såsom DNA, har præcise byggeklodsekvenser, der giver mulighed for en række avancerede funktioner såsom informationslagring og selvreplikation. Dette projekt undersøgte, hvordan man kan ombygge biologiske maskiner, så det kan arbejde med ikke-biologiske byggesten, der ville tilbyde en vej til at skabe syntetiske polymerer med biologiens præcision.

"Disse nye syntetiske polymerer muliggør muligvis udvikling af avanceret personligt beskyttelsesudstyr, sofistikeret elektronik, brændstofceller, avancerede solceller og nanofabrikation, som alle er nøglen til soldaters beskyttelse og ydeevne, "Sagde Poree.

"Vi satte os for at udvide sortimentet af ribosomale monomerer til proteinsyntese for at muliggøre nye retninger inden for bioproduktion, "sagde Michael Jewett, Charles Deering McCormick -professor i undervisningskvalitet, professor i kemisk og biologisk teknik, og direktør for Center for Syntetisk Biologi ved Northwestern's McCormick School of Engineering. "Det, der er så spændende, er, at vi lærte, at ribosomet kan rumme flere slags monomerer, end vi havde forventet, som sætter scenen for at bruge ribosomet som en generel maskine til at skabe klasser af materialer og medicin, der ikke er syntetiseret før. "

Rekombinant proteinproduktion af ribosomet har ændret livet for millioner af mennesker gennem syntese af biofarmaka, som insulin, og industrielle enzymer, der bruges i vaskemidler. I naturen, imidlertid, ribosomet inkorporerer kun naturlige aminosyremonomerer i proteinpolymerer.

For at udvide repertoiret af monomerer, der bruges af ribosomet, Jewetts team satte sig for at identificere designregler for forbindelse af monomerer til overførsel af ribonukleinsyre, kendt som tRNA'er. Det er fordi at få ribosomet til at bruge en ny monomer ikke er så enkelt som at introducere en ny monomer til ribosomet. Monomerer skal være knyttet til tRNA'er, som er molekylerne, der bærer dem ind i ribosomet. Mange nuværende processer til fastgørelse af monomerer til tRNA'er er vanskelige og tidskrævende, men en relativt ny proces kaldet flexizyme muliggør lettere og mere fleksibel fastgørelse af monomerer.

For at udvikle designreglerne for brug af flexizyme, forskerne skabte 37 monomerer, der var nye for ribosomet fra et mangfoldigt repertoire af stilladser. Derefter, de viste, at de monomerer, der kunne bindes til tRNA'er, kunne bruges til at lave snesevis af nye peptidhybrider. Endelig, de validerede deres designregler ved forudsigeligt at lede søgen efter endnu flere nye monomerer.

"Med de nye designregler, vi viser, at vi kan undgå forsøg med fejl, der historisk har været forbundet med at udvikle nye monomerer til brug for ribosomet, Sagde Jewett.

Disse nye designregler bør fremskynde det tempo, hvor forskere kan inkorporere nye monomerer, hvilket i sidste ende vil føre til nye bioprodukter syntetiseret af ribosomet. For eksempel, materialer fremstillet af protease-resistente monomerer kan føre til antimikrobielle lægemidler, der bekæmper stigende antibiotikaresistens.

Forskningen er en del af Department of Defense's Multidisciplinary University Research Initiatives -program, understøttet af ARO, hvor Jewett arbejder med forskere fra tre andre universiteter for at genudvikle ribosomet som en biologisk katalysator for at lave nye kemiske polymerer. ARO er et element i U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory.

"Det er fantastisk, at ribosomet kan rumme bredden af ​​monomerer, vi viste, "Jewett sagde." Det er virkelig opmuntrende for fremtidige bestræbelser på at genanvende ribosomer. "