Fugleenzym peger mod nye terapier

Tak den sjældne crested ibis for et fingerpeg, der en dag kunne hjælpe vores kroppe med at fremstille bedre stoffer.

Fuglearten er den eneste kendte for naturligt at producere et enzym, der er i stand til at generere en ikke-kanonisk aminosyre; det vil sige en ikke blandt de 20 nødvendige for at kode de fleste proteiner.

At det eksisterer - en opdagelse lavet gennem beregningsmæssig sammenligning af genomdatabaser - beviser, at det er muligt for det enzym at arbejde i sammenhæng med levende celler, selvom forskerne ikke ved, hvad det gør for fuglen.

Men de har en ret god idé om, hvad det kan gøre for os.

En ny undersøgelse foretaget af Rice University-kemikeren Han Xiao, den teoretiske fysiker Peter Wolynes og deres kolleger viser, at aminosyren sulfotyrosin (sTyr), en mutant af standardaminosyren tyrosin, er en nøglebyggesten til at programmere levende celler, der udtrykker terapeutiske proteiner. Det kan potentielt give celler mulighed for at fungere som sensorer, der overvåger deres omgivelser og reagerer med den nødvendige behandling.

At efterligne ibis' evne til at syntetisere sTyr og inkorporere det i proteiner kræver modificering af en celles DNA med en mutant codon, der igen laver transferaseenzymet, sulfotransferase 1C1, som findes i fuglen. Dette katalyserer dannelsen af ​​sTyr, en essentiel genkendelsesdel i en række biomolekylære interaktioner.

Proof-of-concept-studiet producerede for første gang pattedyrceller, der syntetiserer sTyr. I et eksperiment lavede Xiao-laboratoriet celler, der øgede styrken af ​​trombinhæmmere, antikoagulantia, der bruges til at forhindre blodpropper.

Undersøgelsen vises i Nature Communications .

"I naturen er de fleste af vores arter lavet med 20 kanoniske byggeklodser," sagde Xiao. "Hvis du vil tilføje en ekstra byggeklods, skal du tænke over, hvordan du laver den. Vi løste det problem:Vi kan bede cellen om at lave det.

"Men så er vi nødt til at have det translationelle maskineri til at genkende det. Og en speciel kodon til at kode denne nye byggesten," sagde han. "Med denne undersøgelse har vi opfyldt alle disse tre krav."

Xiao modtog et tilskud fra National Institutes of Health i 2019 for at se, om celler kunne programmeres til at lave stoffer med ekstra aminosyrer. Den nye undersøgelse viser laboratoriets dramatiske fremskridt.

Indtil nu har videnskabsmænd fodret kemisk syntetiserede ikke-kanoniske aminosyrer ind i celler. At lade cellen udføre arbejdet er langt mere effektivt, sagde Xiao, men det kræver opdagelsen af ​​et nyt transferaseenzym med tyrosinlommer, der kan binde sulfat. Denne lås-og-nøgle-kombination kunne så bruges som grundlaget for en række forskellige katalysatorer.

"Nu, gennem denne nye strategi til at modificere proteiner, kan vi totalt ændre et proteins struktur og dets funktion," sagde han. "For vores trombinhæmmermodeller viste vi, at at sætte en unaturlig byggesten i stoffet kan gøre stoffet meget mere potent."

Det var værd at se for at se, om naturen havde slået dem til en nyttig kodon. Til det hyrede Xiao Wolynes, meddirektør for Center for Teoretisk Biologisk Fysik, hvis laboratorium sammenlignede genomdatabaser og fandt sulfotransferase 1C1 i ibis.

Xiao-laboratoriet anvendte et mutant ravstopkodon, en tre-nukleotidgruppe af uracil, adenin og guanin, til at kode den ønskede sulfotransferase, hvilket resulterede i en fuldstændig autonom pattedyrcellelinje, der er i stand til at biosyntetisere sTyr og inkorporere det med stor præcision i proteiner.

"Vi var heldige," sagde Xiao. "Ibis er den eneste art, der gør dette, hvilket blev opdaget ved en sekvenslighedssøgning af genomisk information. Derefter spurgte vi, om de kan finde ud af, hvorfor dette enzym genkender tyrosin, men vores menneskelige sulfotransferase kan ikke."

Wolynes-teamet brugte AlphaFold2, et kunstig intelligens-program udviklet af Alphabet/Googles DeepMind, der forudsiger proteinstrukturer.

Forskerne forventer at bruge kombinationen af ​​bioinformatik og beregningsmæssigt forbedret screening til at producere et bibliotek af biosyntetiserede ikke-kanoniske aminosyrer. + Udforsk yderligere

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