Under de senaste åren har forskare har konstruerat bakterier med utökade genetiska koder som producerar proteiner gjorda av ett större antal molekylära byggstenar, öppnar en lovande front inom proteinteknik.

Nu, Forskare från Scripps Research har visat att sådana syntetiska bakterier kan utveckla proteiner i laboratoriet med förbättrade egenskaper med hjälp av mekanismer som kanske inte är möjliga med naturens 20 aminosyra byggstenar.

Att exponera bakterier med en artificiellt expanderad genetisk kod för temperaturer vid vilka de normalt inte kan växa, forskarna fann att några av bakterierna utvecklade nya värmebeständiga proteiner som förblir stabila vid temperaturer där de vanligtvis skulle inaktiveras. Forskarna rapporterade sina fynd i Journal of the American Chemical Society ( JACS ).

Nästan varje organism på jorden använder samma 20 aminosyror som byggstenarna för att tillverka proteiner - de stora molekylerna som utför de flesta cellulära funktioner. Peter Schultz, Ph.D., seniorförfattaren till JACS papper och VD och koncernchef för Scripps Research, föregångare till en metod för att omprogrammera cellens egna proteinbiosyntetiska maskiner för att tillsätta nya aminosyror till proteiner, kallas icke-kanoniska aminosyror (ncAA), med kemiska strukturer och egenskaper som inte finns i de vanliga 20 aminosyrorna.

Denna utökade genetiska kod har tidigare använts för att rationellt utforma proteiner med nya egenskaper för att användas som verktyg för att studera hur proteiner fungerar i celler och som nya precisionsutvecklade läkemedel för cancer. Forskarna frågade nu om syntetiska bakterier med expanderade genetiska koder har en evolutionär fördel jämfört med de som är begränsade till 20 byggstenar - är en 21 aminosyrakod bättre än en 20 aminosyrakod ur ett evolutionärt fitnessperspektiv?

"Ända sedan vi först utökade utbudet av aminosyror som kan införlivas i proteiner, mycket arbete har lagts på att använda dessa system för att konstruera molekyler med nya eller förbättrade egenskaper, "säger Schultz." Här, Vi har visat att genom att kombinera en utökad genetisk kod med en laboratorieutveckling kan man skapa proteiner med förbättrade egenskaper som kanske inte är lätt att uppnå med naturens mer begränsade uppsättning. "

Forskarna började med att finjustera genomet för E coli så att bakterierna kunde producera proteinet homoserin o-succinyltransferas (metA) med hjälp av en 21 aminosyrakod istället för den vanliga 20 aminosyrakoden. Ett viktigt metaboliskt enzym, metA dikterar den maximala temperaturen vid vilken E coli kan trivas. Över den temperaturen, metA börjar inaktiveras och bakterierna dör. Forskarna gjorde sedan mutanter av metA, där nästan vilken aminosyra som helst i det naturliga proteinet kan ersättas med en 21:e icke -kanoniska aminosyra.

Vid denna tidpunkt, de låter det naturliga urvalet - evolutionens centrala mekanism - utöva sin magi. Genom att värma bakterierna till 44 grader Celsius - en temperatur vid vilken normalt metA -protein inte kan fungera, och som en konsekvens, bakterier kan inte växa - forskarna sätter ett selektivt tryck på bakteriepopulationen. Som förväntat, några av de mutanta bakterierna kunde överleva bortom sitt typiska temperaturtak, tack vare att ha en mutant metA som var mer värmestabil - alla andra bakterier dog.

På det här sättet, forskarna kunde driva bakterierna att utveckla ett mutant metA -enzym som tål temperaturer 21 grader högre än normalt, nästan dubbelt så hög värmestabilitetsökning som människor vanligtvis uppnår när de är begränsade till mutationer begränsade till de vanliga 20 aminosyrorna.

Forskarna identifierade sedan den specifika genetiska sekvensförändringen som resulterade i mutanten metA och fann att det berodde på de unika kemiska egenskaperna hos en av deras icke -kanoniska aminosyror som laboratorieutvecklingen utnyttjade på ett smart sätt för att stabilisera proteinet.

"Det är slående hur en sådan liten mutation med en ny aminosyra som inte finns i naturen leder till en så signifikant förbättring av proteinets fysiska egenskaper, säger Schultz.

"Detta experiment väcker frågan om en 20 aminosyrakod är den optimala genetiska koden - om vi upptäcker livsformer med utökade koder kommer de att ha en evolutionär fördel, och hur skulle vi se ut om Gud hade arbetat på den sjunde dagen och lagt till några fler aminosyror i koden? "