Synd med glykanen - dessa komplexa sockermolekyler är bundna till 80% av proteinerna i människokroppen, gör dem till en viktig ingrediens i livet. Men denna process, känd som glykosylering, har blivit något i skuggan av flashigare biomolekylära processer som transkription och translation.

"Glykosylering är absolut nödvändigt för liv på denna planet. Och ändå, vi vet fortfarande relativt lite om det, " sa Matthew DeLisa, William L. Lewis professor i teknik vid Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Medan mycket uppmärksamhet har ägnats åt att förstå genomet och proteomet, glykomet – som representerar hela komplementet av sockerarter, antingen fria eller närvarande i mer komplexa molekyler som glykoproteiner, av en organism — har varit relativt understuderad. Vi behöver nya verktyg för att föra fältet framåt."

DeLisas labb har skapat just dessa verktyg genom att befalla enkla, encelliga mikroorganismer — nämligen E coli bakterier – och konstruera dem för att utforska den komplexa processen med glykosylering och den funktionella roll som proteinkopplade glykaner spelar i hälsa och sjukdom.

Gruppens tidning, "Engineering ortogonal humant O-kopplat glykoproteinbiosyntes i bakterier, " publicerad 27 juli i Naturens kemiska biologi . Huvudförfattare är Aravind Natarajan, Ph.D. '19.

Tidigare, DeLisas team använde en liknande cellglykoteknisk metod för att producera en av de vanligaste typerna av glykoproteiner - de med glykanstrukturer kopplade till aminosyran asparagin, eller N-länkad. Nu har forskarna riktat sin uppmärksamhet mot ett annat rikligt glykoprotein, nämligen O-länkad, där glykaner är fästa vid syreatomen i serin eller treoninaminosyror i ett protein.

De O-länkade glykanerna är mer strukturellt olika än deras N-länkade kusiner, och de har viktiga implikationer i utvecklingen av nya terapeutiska behandlingar för sjukdomar som bröstcancer.

"Våra cellkonstruktionsinsatser var ganska komplicerade eftersom vi inte bara behövde utrusta E coli med den kompletta uppsättningen enzymer för att göra och fästa glykanstrukturer till proteiner, men vi var också tvungna att noggrant koppla om inhemska metaboliska nätverk för att säkerställa tillgängligheten av viktiga glykanbyggstenar som sialinsyra, " Natarajan sa. "Tillsättningen av sialinsyra till våra glykoproteiner är betydande eftersom denna sockerrester ofta är avgörande för att rikta läkemedel till specifika celler och öka deras cirkulationshalveringstid."

När en cell blir cancerös, det uttrycker vissa biomarkörer, inklusive onormalt glykosylerade ytproteiner, som indikerar förekomst av cancer. DeLisas grupp utrustad E coli med maskineriet för att producera sådana proteiner, inklusive en som nära liknade en framstående cancerbiomarkör, mucin 1 (MUC1).

"Den glykosylerade versionen av MUC1 är en av de högst prioriterade målantigenerna för cancerterapi. Det har varit mycket utmanande att utveckla terapier mot detta mål, sa DeLisa, tidningens seniorförfattare. "Men genom att ha ett biosyntesverktyg som det vi har skapat som kan replikera MUC1-strukturen, vi hoppas att detta kan ge glykoproteinreagenser som kan användas för att upptäcka antikroppar eller användas direkt som immunterapier, som alla kan hjälpa till i kampen mot vissa typer av cancer."

Både O-kopplade och N-länkade glykaner har också upptäckts i ett av ytproteinerna i SARS-CoV-2-viruset, som orsakar covid-19. DeLisa hoppas att hans grupps metod för bakteriecellsglykoteknik kommer att öppna dörren för att skapa glykosylerade versioner av detta S-protein som kan leda till terapeutiska antikroppar mot coronaviruset, eller utvecklingen av ett subenhetsvaccin.

På grund av deras tidigare arbete med att replikera N-länkade glykaner, forskarna kunde få igång det O-länkade systemet snabbt. Nu är DeLisas labb redo för att göra proteiner som bär båda typerna av glykosylering, vilket är viktigt eftersom många glykoproteiner, såsom S-proteinet i SARS-CoV-2, bära både N- och O-kopplade glykanstrukturer.

Forskarna undersöker också sätt att öka spektrumet av glykoproteiner som de har konstruerat E coli celler kan producera och effektiviteten med vilken dessa produkter genereras.

"Vi tänker på E coli som ett rent chassi eller ett tomt blad när det gäller proteinglykosylering, eftersom dessa bakterier normalt inte utför glykosyleringsreaktioner som de vi har installerat, "DeLisa sa. "Detta tillåter konstruktion av dessa vägar från botten och upp, ger oss total kontroll över de typer av glykanstrukturer som görs, och de specifika platserna i målproteiner där de är fästa. Det är en kontrollnivå som är svår att uppnå med andra redan existerande cellbaserade system eller teknologier för glykoproteinteknik."