Kemikere udvider den genetiske kode for E. coli til at producere den 21. aminosyre, giver det nye evner

Rice University kemiker 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, de siger, er et skridt mod teknologier, der vil tillade generering af nye proteiner og organismer med en række nyttige funktioner.

Deres undersøgelse vises i tidsskriftet Cell Press Chem .

Aminosyrer er byggestenene i DNA. Generelt, organismer behøver kun 20 af dem for at programmere hele det proteinsæt, der er nødvendigt for livet. Men Xiao, ved hjælp af en bevilling på $1,8 millioner fra National Institutes of Health, satte sig for at se, hvordan en 21. aminosyre ville muliggøre design af "unaturlige organismer", der tjener specifikke formål.

Den nye undersøgelse gør netop det 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, vi kombinerede syntetisk kemi, syntetisk biologi og metabolisk teknik til at skabe en stamme, der syntetiserer og koder for en 21. ikke -kanoniske aminosyre, og derefter bruger det til at producere det ønskede protein."

Xiao sagde, at programmering af de autonome unaturlige bakterier var en tre-trins proces:For det første, forskerne ledet af kandidatstuderende Yuda Chen skabte bioortogonale translationsmaskiner for aminosyren, 5HTP. Sekund, de fandt og målrettede et tomt kodon – en sekvens i DNA eller RNA, der ikke producerer et protein – og redigerede det genetisk til at kode for 5HTP. Tredje, ved at pode enzymklynger fra andre arter ind i E. coli, de gav 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, vi viser, at stammen i sig selv kan tjene som en levende indikator for reaktive oxygenarter, og detektionsgrænsen er virkelig lav."

Mens forskere har rapporteret skabelsen af ​​mere end 200 ikke-kanoniske aminosyrer til dato, de fleste af dem kan 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 lade os undersøge biologiske eller medicinske problemer i levende organismer, frem for blot at beskæftige sig 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 det på egen hånd, "sagde han." Det giver os mulighed for at studere ikke -kanoniske aminosyrer på et højere niveau, hele organismens niveau."

Ultimativt, forskerne håber, at tilpassede byggeklodser vil tillade målrettede celler, som dem i tumorer, at lave 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 realtid. Det synes vi ikke 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.