Syntetiska biologer som arbetar med ett amerikanskt arméprojekt har utvecklat en process som kan leda till en ny klass av syntetiska polymerer som kan skapa nya högpresterande material och terapi för soldater.

Naturkommunikation publicerad forskning utförd av arméfinansierade forskare vid Northwestern University, som utvecklat en uppsättning designregler för att vägleda hur ribosomer, en cellstruktur som gör protein, kan införliva nya typer av monomerer, som kan bindas med identiska molekyler för att bilda polymerer.

"Dessa fynd är ett spännande steg framåt för att uppnå sekvensdefinierade syntetiska polymerer, vilket har varit en stor utmaning inom polymerkemi, "sa doktor Dawanne Poree, programansvarig, polymerkemi vid arméns forskningsbyrå. "Möjligheten att utnyttja och anpassa cellulära maskiner för att producera icke-biologiska polymerer skulle, i huvudsak, föra syntetiska material till biologiska funktioner. Detta kan göra avancerade, högpresterande material som nanoelektronik, självläkande material, och annat material av intresse för armén. "

Biologiska polymerer såsom DNA, har exakta byggblockssekvenser som möjliggör en mängd avancerade funktioner som informationslagring och självreplikation. Detta projekt tittade på hur man omarbetar biologiska maskiner så att de kan arbeta med icke-biologiska byggstenar som skulle erbjuda en väg till att skapa syntetiska polymerer med biologins precision.

"Dessa nya syntetiska polymerer kan möjliggöra utveckling av avancerade personliga skyddsutrustningar, sofistikerad elektronik, bränsleceller, avancerade solceller och nanofabrication, som alla är nyckeln till soldaternas skydd och prestanda, "Sa Poree.

"Vi bestämde oss för att utöka sortimentet av ribosomala monomerer för proteinsyntes för att möjliggöra nya riktningar inom biotillverkning, "sa Michael Jewett, Charles Deering McCormick -professor i pedagogisk excellens, professor i kemisk och biologisk teknik, och chef för Center for Synthetic Biology vid Northwestern's McCormick School of Engineering. "Det som är så spännande är att vi lärde oss att ribosomen rymmer fler sorters monomerer än vi förväntat oss, som sätter scenen för att använda ribosomen som en allmän maskin för att skapa klasser av material och läkemedel som inte har syntetiserats tidigare. "

Rekombinant proteinproduktion av ribosomen har förändrat livet för miljontals människor genom syntesen av biofarmaka, som insulin, och industriella enzymer som används i tvättmedel. I naturen, dock, ribosomen innehåller endast naturliga aminosyramonomerer i proteinpolymerer.

För att utöka repertoaren för monomerer som används av ribosomen, Jewetts team bestämde sig för att identifiera designregler för koppling av monomerer till överföring av ribonukleinsyra, känd som tRNA. Det beror på att få ribosomen att använda en ny monomer inte är så enkelt som att introducera en ny monomer för ribosomen. Monomererna måste vara fästa vid tRNA, vilka är molekylerna som bär dem in i ribosomen. Många nuvarande processer för att fästa monomerer till tRNA är svåra och tidskrävande, men en relativt ny process som kallas flexizyme möjliggör enklare och mer flexibel montering av monomerer.

För att utveckla designreglerna för användning av flexizym, forskarna skapade 37 monomerer som var nya för ribosomen från en mångsidig repertoar av byggnadsställningar. Sedan, de visade att monomererna som kunde fästas på tRNA kunde användas för att göra tiotals nya peptidhybrider. Till sist, de validerade sina designregler genom att förutsägbart vägleda sökandet efter ännu fler nya monomerer.

"Med de nya designreglerna, vi visar att vi kan undvika försök-och-fel-tillvägagångssätt som historiskt har associerats med att utveckla nya monomerer för användning av ribosomen, "Sa Jewett.

Dessa nya designregler bör påskynda den takt i vilken forskare kan införliva nya monomerer, vilket i slutändan kommer att leda till nya bioprodukter som syntetiseras av ribosomen. Till exempel, material tillverkade av proteasresistenta monomerer kan leda till antimikrobiella läkemedel som bekämpar ökande antibiotikaresistens.

Forskningen ingår i försvarsdepartementets multidisciplinära universitetets forskningsinitiativprogram, stöds av ARO, där Jewett arbetar med forskare från tre andra universitet för att omarbeta ribosomen som en biologisk katalysator för att göra nya kemiska polymerer. ARO är en del av US Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory.

"Det är fantastiskt att ribosomen rymmer bredden av monomerer vi visade, "Sa Jewett." Det är verkligen uppmuntrande för framtida ansträngningar att återanvända ribosomer. "