Illustration av ett DNA-inslaget enväggigt kolnanorör. Upphovsman:Benjamin Lambert, EPFL
Nobelpriset i kemi 2018 gick till tre forskare som utvecklade metoden som för alltid förändrade proteinteknik:riktad evolution. Efterliknar naturlig utveckling, riktad evolution styr syntesen av proteiner med förbättrade eller nya funktioner.
Först, det ursprungliga proteinet muteras för att skapa en samling mutanta proteinvarianter. Proteinvarianterna som visar förbättrade eller mer önskvärda funktioner väljs. Dessa utvalda proteiner muteras sedan ännu en gång för att skapa en annan samling proteinvarianter för ytterligare en valomgång. Denna cykel upprepas tills en sista, muterat protein utvecklas med optimerad prestanda jämfört med det ursprungliga proteinet.
Nu, forskare från Ardemis Boghossians laboratorium vid EPFL, har kunnat använda riktad evolution för att inte bygga proteiner, men syntetiska nanopartiklar. Dessa nanopartiklar används som optiska biosensorer - små enheter som använder ljus för att upptäcka biologiska molekyler i luft, vatten, eller blod. Optiska biosensorer används ofta i biologisk forskning, läkemedelsutveckling, och medicinsk diagnostik, såsom övervakning i realtid av insulin och glukos hos diabetiker.
"Det fina med den riktade evolutionen är att vi kan konstruera ett protein utan att ens veta hur dess struktur är relaterad till dess funktion, "säger Boghossian." Och vi har inte ens denna information för de stora, de allra flesta proteiner. "
Allmän princip för den riktade utvecklingsmetoden tillämpad på nanopartikel-DNA-SWCNT-komplexen. Startkomplexet är ett DNA-SWCNT med en svag optisk signal. Detta utvecklas genom riktad evolution:(1) slumpmässig mutation av DNA -sekvensen; (2) inslagning av SWCNT:erna med DNA och screening av komplexets optiska signal; (3) urval av DNA-SWCNT-komplexen som uppvisar en förbättrad optisk signal. Efter flera cykler av evolution, vi kan utveckla DNA-SWCNT-komplex som visar förbättrat optiskt beteende. Upphovsman:Benjamin Lambert (EPFL)
Hennes grupp använde riktad evolution för att ändra de optoelektroniska egenskaperna hos DNA-inslagna enväggiga kolnanorör (eller, DNA-SWCNT, som de förkortas), som är nanostorlekar av kolatomer som liknar upprullade ark av grafen som täcks av DNA. När de upptäcker sitt mål, DNA-SWCNT avger en optisk signal som kan tränga igenom komplexa biologiska vätskor, som blod eller urin.
Med hjälp av en riktad evolution, Boghossians team kunde konstruera nya DNA-SWCNT med optiska signaler som ökas med upp till 56%-och de gjorde det under bara två utvecklingscykler.
"Majoriteten av forskarna inom detta område skärmar bara stora bibliotek av olika material i hopp om att hitta ett med de egenskaper de letar efter, "säger Boghossian." I optiska nanosensorer, vi försöker förbättra egenskaper som selektivitet, ljusstyrka, och känslighet. Genom att tillämpa riktad evolution, vi ger forskare ett guidat tillvägagångssätt för att konstruera dessa nanosensorer. "
Studien visar att det som i huvudsak är en teknik för bioingenjör kan användas för att mer rationellt ställa in de optoelektroniska egenskaperna hos vissa nanomaterial. Boghossian förklarar:"Fält som materialvetenskap och fysik är mest upptagna med att definiera materialstruktur-funktion-relationer, gör material som saknar denna information svårt att konstruera. Men det här är ett problem som naturen löste för miljarder år sedan - och under de senaste decennierna, biologer har också tacklat det. Jag tror att vår studie visar att som materialvetare och fysiker, vi kan fortfarande lära oss några pragmatiska lektioner av biologer. "
