Исследования в области синтетической биологии армии США на пути к новому классу высокопроизводительных материалов

Синтетические биологи, работающие над проектом Армии США, разработали процесс, который может привести к появлению нового класса синтетических полимеров, которые могут создать новые высокоэффективные материалы и терапевтические средства для солдат.

8 ноября 2019 года журнал Nature Communications опубликовал результаты исследования, проведенного армейскими исследователями Северо-Западного университета, которые разработали набор правил проектирования, определяющих, как рибосомы — клеточная структура белка — могут включать новые виды мономеров, которые могут быть связаны с идентичными молекулами для образования полимеров.

Синтетические биологи, работающие над проектом армии США, разработали набор правил проектирования, которые определяют, как рибосомы — клеточная структура, которая производит белок, — могут привести к появлению нового класса синтетических полимеров, которые могут создать новые высокоэффективные материалы и терапевтические средства для солдат.

«Эти результаты представляют собой захватывающий шаг вперед на пути к достижению последовательности синтетических полимеров, что стало большой проблемой в области химии полимеров, — сказала д-р Даван Поре, руководитель программы по химии полимеров в Управлении армейских исследований. «Способность использовать и адаптировать клеточные механизмы для производства небиологических полимеров, по сути, принесет синтетические материалы в область биологических функций. Это может привести к появлению современных, высокоэффективных материалов, таких как наноэлектроника, самозаживляющиеся материалы и другие материалы, представляющие интерес для армии».

Биологические полимеры, такие как ДНК, обладают точными последовательностями структурных элементов, которые обеспечивают целый ряд передовых функций, таких как хранение информации и саморепликация. В рамках этого проекта рассматривался вопрос о том, как реинжиниринг биологических механизмов, чтобы они могли работать с небиологическими строительными блоками, которые могли бы предложить путь к созданию синтетических полимеров с точностью до биологии.

«Эти новые синтетические полимеры могут позволить разработать усовершенствованные средства индивидуальной защиты, сложную электронику, топливные элементы, усовершенствованные солнечные элементы и нанотехнологии, которые являются ключевыми для защиты и эффективности солдат», — сказал Пори.

«Мы намереваемся расширить ассортимент рибосомальных мономеров для синтеза белка, чтобы открыть новые направления в биотехнологии», — сказал Майкл Ювелир, профессор кафедры педагогического мастерства Чарльза Диринга Маккормика, профессор химии и биологии и директор Центра синтетической биологии Северо-западной инженерной школы МакКормика. «Так интересно, что мы узнали, что рибосома может вмещать больше видов мономеров, чем мы ожидали, что создает условия для использования рибосомы в качестве общей машины для создания классов материалов и лекарств, которые не были синтезированы ранее».

Выработка рибосомой рекомбинантных белков изменила жизнь миллионов людей благодаря синтезу биофармацевтических препаратов, таких как инсулин, и промышленных ферментов, которые используются в стиральных порошках. В природе, однако, рибосома содержит только натуральные мономеры аминокислот в белковых полимерах.

Для расширения репертуара мономеров, используемых рибосомой, команда Jewett’s приступила к определению правил проектирования связи мономеров с трансфером рибонуклеиновой кислоты, известной как тРНК. Это связано с тем, что получить рибосому для использования нового мономеров не так просто, как ввести новый мономер в рибосому. Мономеры должны быть прикреплены к тРНК, которые являются молекулами, несущими их в рибосому. Многие текущие процессы присоединения мономеров к тРНК являются сложными и длительными, но относительно новый процесс под названием flexizyme позволяет упростить и сделать более гибкой привязку мономеров.

Для разработки дизайна правил использования флексизима исследователи создали 37 новых для рибосомы мономеров из разнообразного репертуара строительных лесов. Затем они показали, что мономеры, которые могут быть прикреплены к тРНК, могут быть использованы для создания десятков новых пептидных гибридов. Наконец, они подтвердили свои правила проектирования, предсказуемо направляя поиск еще большего числа новых мономеров.

«С новыми правилами проектирования мы покажем, что можем избежать испытаний и ошибок, которые исторически были связаны с разработкой новых мономеров для использования рибосомами», — сказал Ювелир.

Эти новые правила проектирования должны ускорить темпы внедрения новых мономеров, что в конечном итоге приведет к появлению новых биопродуктов, синтезируемых рибосомой. Например, материалы, изготовленные из устойчивых к протеазам мономеров, могут привести к появлению противомикробных препаратов, противодействующих повышению устойчивости к антибиотикам.

Исследование является частью программы многопрофильных университетских исследовательских инициатив Министерства обороны при поддержке ARO, в рамках которой Ювелир работает с исследователями из трех других университетов над реинжинирингом рибосомы в качестве биологического катализатора для производства новых химических полимеров. ARO является составной частью научно-исследовательской лаборатории Командования сухопутных войск США по развитию боевого потенциала армии.

«Удивительно, что рибосома может вместить в себя все разнообразие мономеров, которые мы показали», — сказал Джуэтт. «Это очень обнадеживает для будущих усилий по перепрофилированию рибосом.»

###

Reference: “Expanding the limits of the second genetic code with ribozymes” by Joongoo Lee, Kenneth E. Schwieter, Andrew M. Watkins, Do Soon Kim, Hao Yu, Kevin J. Schwarz, Jongdoo Lim, Jaime Coronado, Michelle Byrom, Eric V. Anslyn, Andrew D. Ellington, Jeffrey S. Moore and Michael C. Jewett, 8 November 2019, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-019-12916-w

Исследователи Техасского университета в Остине работают над аналогичной технологией для разработки адгезии, адаптивных и быстрореагирующих материалов в рамках соглашения о сотрудничестве с ARL и Командованием Фьючерса армии.

Источник