Hur Rice University kemister använde en sällsynt genetisk väg för att metaboliskt konstruera celler som fungerar som läkemedelsfabriker för att göra trombinhämmare som bryter upp blodproppar. Studien började med en bioinformatisk undersökning som hittade nyckeln i en crested ibis. Kredit:Xiao Lab/Rice University
Tacka den sällsynta crested ibis för en ledtråd som en dag kan hjälpa våra kroppar att göra bättre droger.
Fågelarten är den enda som är känd för att naturligt producera ett enzym som kan generera en icke-kanonisk aminosyra; det vill säga en inte bland de 20 nödvändiga för att koda för de flesta proteiner.
Att det existerar – en upptäckt som gjorts genom beräkningsjämförelse av genomdatabaser – bevisar att det är möjligt för det enzymet att fungera inom ramen för levande celler, även om forskarna inte vet vad det gör för fågeln.
Men de har en ganska bra uppfattning om vad det kan göra för oss.
En ny studie av Rice University-kemist Han Xiao, teoretisk fysiker Peter Wolynes och deras kollegor visar att aminosyra, sulfotyrosin (sTyr), en mutant av standardaminosyran tyrosin, är en viktig byggsten för att programmera levande celler som uttrycker terapeutiska proteiner. Det kan potentiellt tillåta celler att fungera som sensorer som övervakar sina miljöer och svarar med nödvändig behandling.
Att efterlikna ibis förmåga att syntetisera sTyr och införliva det i proteiner kräver modifiering av en cells DNA med ett mutant kodon som i sin tur gör transferasenzymet, sulfotransferas 1C1, som finns i fågeln. Detta katalyserar genereringen av sTyr, en väsentlig igenkänningsdel i en mängd olika biomolekylära interaktioner.
Proof-of-concept-studien producerade för första gången däggdjursceller som syntetiserar sTyr. I ett experiment tillverkade Xiao-labbet celler som ökade styrkan hos trombinhämmare, antikoagulantia som används för att förhindra blodpropp.
Studien visas i Nature Communications .
"I naturen är de flesta av våra arter gjorda av 20 kanoniska byggstenar," sa Xiao. "Om du vill lägga till ytterligare en byggsten måste du tänka på hur du gör den. Vi löste det problemet:vi kan be cellen att göra det.
Forskare från Rice University utvecklade celler konstruerade för att uttrycka terapeutiska proteiner, specifikt en trombinhämmare. Nyckeln är den platsspecifika insättningen av sulfotyrosin (sTyr), en mutant av standardaminosyran tyrosin som finns naturligt endast i crested ibis. Kredit:Xiao Lab/Rice University
"Men då måste vi ha översättningsmaskineriet för att känna igen det. Och ett speciellt kodon för att koda denna nya byggsten", sa han. "Med den här studien har vi uppfyllt alla dessa tre krav."
Xiao fick ett National Institutes of Health-anslag 2019 för att se om celler kunde programmeras för att göra ämnen med extra aminosyror. Den nya studien visar labbets dramatiska framsteg.
Hittills har forskare matat in kemiskt syntetiserade icke-kanoniska aminosyror i celler. Att låta cellen göra jobbet är mycket mer effektivt, sa Xiao, men det kräver upptäckten av ett nytt transferasenzym med tyrosinfickor som kan binda sulfat. Den lås-och-nyckel-kombinationen kan sedan användas som grunden för en mängd olika katalysatorer.
"Nu, genom denna nya strategi för att modifiera proteiner, kan vi helt förändra ett proteins struktur och dess funktion," sa han. "För våra trombinhämmarmodeller visade vi att en onaturlig byggsten i läkemedlet kan göra läkemedlet mycket mer potent."
Det var värt en titt för att se om naturen hade slagit dem till ett användbart kodon. För det anlitade Xiao Wolynes, meddirektör för Center for Theoretical Biological Physics, vars labb jämförde genomdatabaser och hittade sulfotransferas 1C1 i ibis.
Xiao-labbet använde ett mutant bärnstensstoppkodon, en trenukleotidgrupp av uracil, adenin och guanin, för att koda för det önskade sulfotransferaset, vilket resulterade i en helt autonom däggdjurscellinje som kan biosyntetisera sTyr och införliva den med stor precision i proteiner.
"Vi hade tur," sa Xiao. "Ibis är den enda arten som gör detta, vilket upptäcktes genom en sekvenslikhetssökning av genomisk information. Efter det frågade vi om de kan ta reda på varför detta enzym känner igen tyrosin men vårt mänskliga sulfotransferas inte kan."
Wolynes-teamet använde AlphaFold2, ett artificiell intelligensprogram utvecklat av Alphabet/Googles DeepMind som förutsäger proteinstrukturer.
Forskarna förväntar sig att använda kombinationen av bioinformatik och beräkningsmässigt förbättrad screening för att producera ett bibliotek av biosyntetiserade icke-kanoniska aminosyror. + Utforska vidare
