Celler är otroligt skickliga på att skapa komplexa molekyler, som terapi, och kan göra så mycket bättre än många av våra bästa fabriker.

Syntetiska biologer ser till att omkonstruera celler för att göra dessa molekyler för specifika behov, inklusive läkemedel och energitillämpningar. Men test-och-fel-processen är svår och tidskrävande, och tävlar ofta med cellens andra mål och processer, som tillväxt och överlevnad.

En ny metod som utvecklats vid Northwestern University kombinerar två toppmoderna forskningssätt för att skapa en snabb, effektivt sätt att konstruera och analysera metaboliska vägar.

Tillvägagångssätten-cellfri proteinsyntes och självmonterad monoskikt desorptionsjonisering (SAMDI) masspektrometri-kombineras för att skapa ett nytt verktyg för att hjälpa ingenjörer att bättre förstå vägarna för att skapa molekyler.

"Med dessa två metoder, vi kan bygga tusentals potentiella blandningar och testa dem alla på en enda dag, en mycket snabbare process som ger nya insikter och designregler för syntetiska biologer, "sade Milan Mrksich, Henry Wade Rogers professor i biomedicinsk teknik, Kemi, och cell- och molekylärbiologi vid Northwestern McCormick School of Engineering. Han är också meddirektör för Northwestern's Center for Synthetic Biology.

Resultaten publicerades den 5 juni i tidningen Vetenskapliga framsteg . Michael Jewett, Charles Deering McCormick -professor i pedagogisk excellens, professor i kemisk och biologisk teknik, och meddirektör för Centrum för syntetisk biologi, är en motsvarande författare till forskningen.

Skapa enzymer genom cellfri syntes

Celler utvecklar komplexa molekyler genom enzymer, proteinet som används för att omvandla en molekyl till en annan. Genom en serie av dessa konverteringar, en metabolit blir en komplex molekyl, en som ofta är förknippad med samhällsnytta.

För ingenjörer att efterlikna denna process, de måste identifiera vilka enzymer som krävs för att ge dem den önskade molekylen. När de väl har förstått den metaboliska vägen, de kan konstruera en cell - ofta en bakteriecell - för att få enzymerna att skapa målmolekylen. Till exempel, Coenzym A (CoA) är en central molekyl i metabolism, och syntetiska biologer har använt sina beroende vägar för att utveckla läkemedel mot malaria, Bryggarens jäst, och avancerade biobränslen.

Men att hitta dessa vägar är en test-och-fel-process som kan ta dagar av ansträngning att både konstruera och sedan testa resultatet. För att komma förbi detta, Jewetts laboratorium har utvecklat en process för cellfri proteinsyntes som skapar just de enzymer som behövs för att göra målproduktmolekylerna, men utan att behöva använda hela cellen själv. Här, labbet skapade enzymer, vilket gör att de kan blanda och matcha potentiella enzymer i reaktionsrör utan att deras slutliga mål tävlar med en cells andra mål, som att behålla sin ämnesomsättning.

"Cellfri proteinsyntes är verkligen en spännande teknik, "Jewett sa." Det cocktailbaserade tillvägagångssättet för att konstruera biosyntetiska funktioner med hjälp av cellfria system som vi beskriver här uppnår en oöverträffad designfrihet för att utöka möjligheterna hos naturliga biokatalysatorer. "

Analyserar snabbt med SAMDI

När dessa lösningar har skapats, testa deras framgång kräver minst en halvtimme per prov. Eftersom det finns så många möjliga lösningar, att den manuella processen inte är tillräckligt effektiv för att söka efter de optimala resultaten.

Det är där Mrksichs SAMDI -masspektrometri kommer in. Tekniken mäter biokemiska reaktioner extremt snabbt och billigt. "Vi kan enkelt testa 10, 000 reaktionsblandningar på en enda dag för att bestämma vilka molekyler som syntetiserades och hur mycket av varje som finns i reaktionsblandningarna, "Sa Mrksich.

Dessutom, metoden tillåter dem att observera alla molekyler som finns i reaktionen, vilket betyder att de kan hitta molekyler som de inte nödvändigtvis letade efter i första hand. "Det är ganska spännande, "Mrksich sa." Det är ett kraftfullt vetenskapligt verktyg som lär oss om hur dessa reaktioner är balanserade och avlägsnar varandra i cellen. "

Skapa fabriker med celler

För att bevisa denna metod, forskarna syntetiserade hydroximetylglutaryl-CoA (HMG-CoA), en vanlig metabolit som används vid syntesen av många komplexa molekyler, inklusive en klass av viktiga molekyler som kallas isoprenoider (inklusive steroider och cancerläkemedel), och kartlagt mer än 800 unika reaktionsförhållanden.

"I dag, ett typiskt syntetiskt biologiprojekt kan utforska dussintals varianter av en väg, "Sa Jewett." Med vår metod, vi visar att det är möjligt att testa hundratals till tusentals vägvägar. Detta är viktigt eftersom det kommer att möjliggöra nya typer av datadriven design för att underlätta vägoptimering. "

Eftersom SAMDI -metoden skapar så många datapunkter för varje test, forskarna hoppas kunna använda mer maskininlärning och artificiell intelligens metoder framöver för att hjälpa dem att analysera och förstå alla data.

Det slutliga målet är att ha tillräckligt med förståelse för att utnyttja cellens kraft för att skapa nästa generations läkemedel och hållbara kemikalier för energi. Precis som snabba prestandahöjningar för beräkningsenheter - som beskrivs i Moores lag - har haft stor inverkan på hela beräknings- och konsumentelektronikindustrin, "detta tillvägagångssätt representerar nästa steg inom teknik som kommer att ha en analog inverkan på syntetisk biologi för alla dess tillämpningar, "Sa Jewett.

"Tänk dig att ersätta hela fabriker med ett fat bakterier, "Mrksich sa." Dessa bakterieceller kan konstrueras för att producera våra målmolekyler, utan de höga temperaturer och osäkra lösningsmedel och kemikalier som normalt krävs .. Det är en attraktiv väg för tillverkning av kemikalier, och med denna nya process, Vi har avsevärt förbättrat effektiviteten med vilken vägarna kan upptäckas och optimeras. "