Rice University kemist Han Xiao och hans team har framgångsrikt utökat den genetiska koden för Escherichia coli-bakterier för att producera en syntetisk byggsten, en "icke-kanonisk aminosyra". Resultatet är en levande indikator för oxidativ stress.

Arbetet, de säger, är ett steg mot teknologier som kommer att möjliggöra generering av nya proteiner och organismer med en mängd användbara funktioner.

Deras studie visas i tidskriften Cell Press Chem .

Aminosyror är byggstenarna i DNA. I allmänhet, organismer behöver bara 20 av dem för att programmera hela uppsättningen av proteiner som behövs för livet. Men Xiao, med hjälp av ett anslag på 1,8 miljoner USD från National Institutes of Health, för att se hur en 21:a aminosyra skulle möjliggöra utformningen av "onaturliga organismer" som tjänar specifika syften.

Den nya studien gör just det genom att konstruera bakterier för att producera den extra aminosyran, kallas 5-hydroxyl-tryptofan (5HTP), som förekommer naturligt hos människor som en föregångare till signalsubstansen serotonin, men inte i E. coli. Den nya produktionen av 5HTP uppmanar bakterierna att producera ett protein som fluorescerar när organismen är under metabolisk stress.

"Processen kräver många tvärvetenskapliga tekniker, " sa Xiao. "I den här studien, vi kombinerade syntetisk kemi, syntetisk biologi och metabolisk ingenjörskonst för att skapa en stam som syntetiserar och kodar för en 21:a icke-kanonisk aminosyra, och sedan använder det för att producera det önskade proteinet."

Xiao sa att programmering av de autonoma onaturliga bakterierna var en process i tre steg:För det första, forskarna ledda av doktoranden Yuda Chen skapade bioortogonala translationsmaskiner för aminosyran, 5HTP. Andra, de hittade och riktade in sig på ett tomt kodon – en sekvens i DNA eller RNA som inte producerar ett protein – och genetiskt redigerade det för att koda för 5HTP. Tredje, genom att ympa enzymkluster från andra arter i E. coli, de gav bakterierna förmågan att producera 5HTP.

"Dessa 5HTP-innehållande proteiner, isolerad från de programmerade bakterierna, kan ytterligare märkas med läkemedel eller andra molekyler, " sa Xiao. "Här, vi visar att stammen i sig kan fungera som en levande indikator för reaktiva syrearter, och detektionsgränsen är riktigt låg."

Medan forskare har rapporterat skapandet av mer än 200 icke-kanoniska aminosyror hittills, de flesta av dem kan inte syntetiseras av deras värdorganismer. "Det här har varit ett pågående område i decennier, men tidigare fokuserade man på den kemiska delen, " sa Xiao. "Vår vision är att konstruera hela celler med den 21:a aminosyran som låter oss undersöka biologiska eller medicinska problem i levande organismer, snarare än att bara ta itu med celler i labbet.

"Att flytta denna teknik till värdarten eliminerar behovet av att injicera konstgjorda byggstenar i en organism, eftersom de kan syntetisera och använda det på egen hand, ", sa han. "Det gör att vi kan studera icke-kanoniska aminosyror på ett högre, hela organismens nivå."

I sista hand, forskarna hoppas anpassade byggstenar kommer att tillåta riktade celler, som de i tumörer, att göra sina egna terapeutiska läkemedel. "Det är en viktig framtidsriktning för mitt labb, " sa Xiao. "Vi vill att celler ska upptäcka sjukdomar, göra bättre mediciner och släppa dem i realtid. Vi tycker inte att det är för långt borta."

Medförfattare till uppsatsen är Rice postdoktorer Juan Tang, Lushun Wang och Zeru Tian, student Adam Cardenas och gästforskare Xinlei Fang, och Abhishek Chatterjee, en biträdande professor i kemi vid Boston College. Xiao är Norman Hackerman-Welch Young Investigator och biträdande professor i kemi.