Direkte evolution bygger nanopartikler

Nobelprisen i kemi 2018 gik til tre forskere, der udviklede metoden, der for altid ændrede proteinteknik:styret evolution. Efterligner naturlig evolution, rettet evolution styrer syntesen af ​​proteiner med forbedrede eller nye funktioner.

Først, det originale protein muteres for at skabe en samling af mutante proteinvarianter. De proteinvarianter, der viser forbedrede eller mere ønskelige funktioner, udvælges. Disse udvalgte proteiner muteres derefter endnu en gang for at oprette en anden samling af proteinvarianter til endnu en udvælgelsesrunde. Denne cyklus gentages indtil en sidste, muteret protein udvikles med optimeret ydeevne sammenlignet med det originale protein.

Nu, forskere fra laboratoriet i Ardemis Boghossian ved EPFL, har været i stand til at bruge rettet evolution til at bygge ikke proteiner, men syntetiske nanopartikler. Disse nanopartikler bruges som optiske biosensorer - bittesmå enheder, der bruger lys til at detektere biologiske molekyler i luft, vand, eller blod. Optiske biosensorer er meget udbredt i biologisk forskning, udvikling af lægemidler, og medicinsk diagnostik, såsom overvågning i realtid af insulin og glukose hos diabetikere.

"Det smukke ved rettet evolution er, at vi kan konstruere et protein uden overhovedet at vide, hvordan dets struktur er relateret til dets funktion, " siger Boghossian. "Og vi har ikke engang denne information for de store, langt de fleste proteiner."

Hendes gruppe brugte rettet evolution til at modificere de optoelektroniske egenskaber af DNA-omviklede enkeltvæggede kulstofnanorør (eller, DNA-SWCNT'er, som de er forkortet), som er rør i nanostørrelse af kulstofatomer, der ligner sammenrullede plader af grafen dækket af DNA. Når de opdager deres mål, DNA-SWCNT'erne udsender et optisk signal, der kan trænge gennem komplekse biologiske væsker, som blod eller urin.

Ved at bruge en rettet udviklingstilgang, Boghossians team var i stand til at konstruere nye DNA-SWCNT'er med optiske signaler, der øges med op til 56% – og de gjorde det over kun to udviklingscyklusser.

"Størstedelen af ​​forskere inden for dette felt screener bare store biblioteker af forskellige materialer i håb om at finde et med de egenskaber, de leder efter, " siger Boghossian. "I optiske nanosensorer, vi forsøger at forbedre egenskaber som selektivitet, lysstyrke, og følsomhed. Ved at anvende rettet evolution, vi giver forskere en guidet tilgang til at konstruere disse nanosensorer."

Undersøgelsen viser, at det, der i bund og grund er en bioingeniørteknik, kan bruges til mere rationelt at tune de optoelektroniske egenskaber af visse nanomaterialer. Boghossian forklarer:"Felter som materialevidenskab og fysik er for det meste optaget af at definere materielle struktur-funktionsforhold, gør materialer, der mangler denne information, vanskelige at konstruere. Men dette er et problem, naturen løste for milliarder af år siden - og i de seneste årtier, biologer har også taklet det. Jeg tror, ​​vores undersøgelse viser, at som materialeforskere og fysikere, vi kan stadig lære et par pragmatiske lektioner fra biologer."