Eine Umrüstung der ribosomalen Translationsmaschine könnte das chemische Repertoire von Zellen erweitern

Synthetische Biologen sind bei der Entwicklung von Hefen oder Bakterien immer kreativer geworden, um über das normale Repertoire von Mikroben hinaus nützliche Chemikalien herzustellen – von Treibstoffen bis hin zu Stoffen und Medikamenten.

Doch eine universitätsübergreifende Gruppe von Chemikern hat ein ehrgeizigeres Ziel: die Polypeptid-Produktionsanlagen der Zelle – die Ribosomen, die Aminosäuren in Protein umwandeln – umzurüsten, um Polymerketten zu erzeugen, die komplexer sind als das, was jetzt in einer Zelle oder einem anderen Körper hergestellt werden kann Reagenzglas.

Das Forschungsunternehmen mit Sitz an der University of California in Berkeley meldet nun erhebliche Fortschritte auf dem Weg zu diesem Ziel, wie aus drei neuen Arbeiten hervorgeht, die sich mit drei großen Hürden befassen: Wie können Zellen neu programmiert werden, um das Ribosom mit anderen Bausteinen als dem Alpha-Amino zu versorgen? Säuren, aus denen heute alle Proteine ​​bestehen; Wie kann man vorhersagen, welche Bausteine ​​die besten Substrate ergeben? und wie man das Ribosom so manipuliert, dass es diese neuartigen Bausteine ​​in Polymere einbaut.

Das ultimative Ziel der National Science Foundation Zentrum für genetisch kodierte Materialien (C-GEM) soll das Übersetzungssystem vollständig programmierbar machen, so dass die Einführung von mRNA-Anweisungen in die Zelle zusammen mit neuen Bausteinen – nicht den heute vorkommenden Alpha-Aminosäuren – es dem Ribosom ermöglichen wird, eine unbegrenzte Vielfalt neuer Molekülketten zu produzieren . Diese Ketten könnten die Grundlage für neue Biomaterialien, neue Enzyme und sogar neue Medikamente bilden.

Die Artikel, die in den Zeitschriften erscheinen Naturchemie Und ACS Zentralwissenschaftsind der Beginn eines Plans zur Neugestaltung der zellulären Synthesemaschinerie, um noch nie dagewesene Polymere herzustellen, darunter Biopolymere und kreisförmige Polymere, die als Peptidmakrozyklen bezeichnet werden, mit vorbestimmten oder völlig unvorhergesehenen Anwendungen.

„C-GEM arbeitet an der Biosynthese von Molekülen, die noch nie zuvor in einer Zelle hergestellt wurden und die einzigartige Eigenschaften haben sollen. Die Werkzeuge könnten von Polymerchemikern, medizinischen Chemikern und Biomaterialwissenschaftlern umfassend eingesetzt werden, um maßgeschneiderte Materialien mit neuen Funktionen zu erzeugen.“ „, sagte C-GEM-Direktorin Alanna Schepartz, TZ and Irmgard Chu Distinguished Chair in Chemistry und Professorin für Molekular- und Zellbiologie an der UC Berkeley. „Das ultimative Ziel besteht darin, die Funktion und Vielseitigkeit von Proteinen und Polypeptiden sowohl als Materialien als auch als Arzneimittel zu erweitern.“

Ein Beispiel, sagte sie, wäre, das Ribosom so zu programmieren, dass es ein Polymer synthetisiert, das eine Kreuzung aus Spinnenseide – einem der härtesten natürlichen Proteine ​​– und Nylon ist, einem Polymer, das heute in chemischen Reaktionskammern hergestellt wird. Während Spinnenseide jetzt in gentechnisch veränderten Mikroben hergestellt werden kann, könnte die von C-GEM entwickelte Technologie es ähnlichen Mikroben ermöglichen, eine unendliche Vielfalt an Polymeren herzustellen, die die Bausteine ​​von Seide und Nylon mischen, allesamt neu für Chemiker und mit einzigartigen Eigenschaften. Die Technologie könnte auch genutzt werden, um proteinähnliche Polymere hitzebeständiger zu machen als natürliche Proteine.

Ein leistungsstarker Aspekt einer programmierbaren Ribosomenmaschine, die Polymere synthetisieren kann, besteht darin, dass sie es Forschern ermöglicht, die Polymere weiterzuentwickeln, um ihre Aktivität zu perfektionieren, so wie sich Proteine ​​über Hunderte von Millionen Jahren entwickelt haben, um die Fitness von Zellen und Organismen zu verbessern.

„Seit Milliarden von Jahren haben sich auf dem Planeten Proteinpolymere entwickelt, aber wir waren bei der Zusammensetzung dieser Polymere eingeschränkt, weil die Bausteine ​​dieselben 20 Aminosäuren sind“, sagte Jamie Cate, Professor für Chemie an der UC Berkeley Molekular- und Zellbiologie. „Wenn wir ein System entwickeln können, mit dem man die Evolution tatsächlich auf diese neuen Polymere anwenden kann, dann ist das wie eine Plattform, die jeder, der eine kreative Idee hat, nutzen kann, um ein Polymer zu etwas weiterzuentwickeln, das er möchte.“

Ein solches System basiert auf der gerichteten Evolution von Proteinenzymen, für die Frances Arnold, Absolventin der UC Berkeley, 2018 den Nobelpreis für Chemie erhielt.

„Es ist ein Schritt über das hinaus, was Frances Arnold bei der Entwicklung der gerichteten Evolution getan hat“, sagte Cate. „Sie hat die gerichtete Evolution für Proteine ​​entwickelt. Wir versuchen, einen Weg zu finden, wie man dies für Polymere tun kann, die sich in der Natur noch nie zuvor entwickelt haben.“

Entwicklung eines völlig neuen Ribosoms

In allen Zellen werden Proteine ​​durch eine Nanomaschine, das Ribosom, zusammengesetzt, das Anweisungen von einem RNA-Molekül namens Messenger-RNA (mRNA) entgegennimmt – mRNA ähnelt einer Arbeitskopie des DNA-Codes eines Gens – und diese Anweisungen liest, um ein Protein zusammenzubauen. Aminosäure für Aminosäure. Erstaunlicherweise faltet sich die lineare Proteinkette fast immer zu einer wohldefinierten 3D-Struktur, die bereit ist, ihren entwickelten Zweck zu erfüllen: als Enzym zur Katalyse von Reaktionen in der Zelle, als Strukturbestandteil der Zelle oder als Regulator anderer zellulärer Aktivitäten .

Vor zehn Jahren schien es unmöglich, diese komplexe Nanomaschine umzurüsten. Aber Schepartz‘ Beharrlichkeit, ein Projekt zur Erreichung dieses Ziels voranzutreiben, führte zu C-GEM, dessen erster fünfjähriger Finanzierungszyklus drei Jahre alt ist.

Eines der Ziele des Zentrums ist die Versorgung des Ribosoms mit Bausteinen – sogenannten Monomeren – außer Alpha-Aminosäuren. Um dieses Ziel zu erreichen, konzentrierte sich das C-GEM-Team auf die Enzyme, die Aminosäuremonomere auf Transfer-RNA (tRNA) laden, die Moleküle, die Aminosäuren zum Ribosom befördern. Jede tRNA ist mit einem Strichcode versehen, der angibt, welche der 20 Aminosäuren sie trägt.

Wie in a berichtet Naturchemie In der am 1. Juni veröffentlichten und von Schepartz und den Doktoranden Riley Fricke und Cameron Swenson gemeinsam verfassten Arbeit entdeckte das Team, dass eine Familie von tRNA-Synthetasen tRNA mit vier verschiedenen Nicht-Alpha-Aminosäuren beladen kann. Eines davon war ein Baustein verschiedener Polyketid-Therapeutika, darunter der Antibiotika Erythromycin und Tetracyclin.

„Wir haben Enzyme identifiziert, die tRNAs mit Monomeren beladen, die sich strukturell von allem unterscheiden, was zuvor auf eine tRNA geladen wurde“, sagte Schepartz. „Eines der Monomere ist ein Vorläufer, der zum Zusammenbau polyketidähnlicher Moleküle verwendet werden könnte. Wissenschaftler versuchen seit Jahrzehnten, Polyketid-Synthase-Module umzugestalten, um Bibliotheken von Naturstoffen zu erzeugen. Diese Studien haben uns viel über die Komplexität dieser Module gelehrt.“ , aber der technische Teil war sehr schwierig.“

Die neuartigen Monomere wurden vom nativen Ribosom in den Bakterien bereitwillig akzeptiert E coliDies zeigt, dass es möglich ist, verschiedene Arten von Chemikalien in das normalerweise ausschließlich aus Aminosäuren bestehende Proteinpolymer zu integrieren.

„Antibiotikaresistenzen sind ein enormes Problem“, fügte sie hinzu. „Wenn wir zur Lösung dieses Problems beitragen könnten, indem wir neuartige Moleküle erzeugen, deren Funktionen einzigartige Wirkungsweisen kodieren, wäre das ein enormer Beitrag.“

In einem zweiten Artikel, der am 30. Mai erschien ACS Zentralwissenschaft, Hauptautorin und Postdoktorandin Chandrima Mujumdar, nutzte zusammen mit Cate und Schepartz kryogene Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), um detaillierte Strukturen von drei verwandten Monomeren – keines davon Alpha-Aminosäuren – zu erhalten, die an das E. coli-Ribosom gebunden waren. Die Details zeigen, wie diese Monomere binden – wenn auch viel schlechter als Aminosäuren – und geben Hinweise darauf, wie die Monomere oder das Ribosom verändert werden können, um die Fähigkeit des Ribosoms zu verbessern, sie zum Aufbau neuartiger Polymere zu verwenden.

In einem dritten Artikel, der am 12. Juni erschien NaturchemieCate, Schepartz und Hauptautorin Zoe Watson, eine Postdoktorandin, berichten über die Kryo-EM-Struktur des E coli Ribosom, während es normale Alpha-Aminosäuren bindet. Für diese Arbeit arbeitete das Team mit der Firma Schrödinger Inc. aus San Diego zusammen, die Computer zur Modellierung der Proteinbindung einsetzt. Ara Abramyan von Schrödinger nutzte die Kryo-EM-Struktur als Ausgangspunkt für die Durchführung metadynamischer Simulationen, um zu verstehen, welche nicht-natürlichen Monomere im katalytischen Zentrum des Ribosoms – dem Peptidyltransferase-Zentrum (PTC) – reagieren und welche nicht.

Schepartz und Cate betonten, dass alle diese Veränderungen am ribosomalen System in einer lebenden Zelle unabhängig von den normalen Ribosomen funktionieren müssen, damit die Produktion neuer Polymere nicht die tägliche, lebensnotwendige Proteinproduktion beeinträchtigt.

„Wir wollen Enzyme – Synthetasen – und Ribosomen, die in einer Zelle verwendet werden könnten, denn so wird diese Arbeit skalierbar sein“, sagte Schepartz. „Dieses Ziel erfordert robuste Ribosomen, großartige Enzyme und viel Verständnis für die Chemie, wie diese komplexen molekularen Maschinen funktionieren. Es ist ein schwieriges Problem, aber es macht viel Spaß. Und wir können Studenten und Postdoktoranden mit wirklich großartiger Wissenschaft vertraut machen.“