بازسازی کارخانه های تولید پلی پپتیدی سلول برای تولید زنجیره های پلیمری

زیست شناسان مصنوعی به طور فزاینده ای در مهندسی مخمر یا باکتری برای تولید مواد شیمیایی مفید خلاق شده اند. از سوخت گرفته تا پارچه و دارو -؛ فراتر از مجموعه معمولی میکروب ها.

اما گروهی از شیمیدانان چند دانشگاهی هدف بلندپروازانه تری دارند: ابزارسازی مجدد کارخانه های تولید پلی پپتید سلول – ریبوزوم هایی که اسیدهای آمینه را به پروتئین تبدیل می کنند – برای تولید زنجیره‌های پلیمری که پیچیده‌تر از آنچه اکنون می‌توان در سلول یا لوله آزمایش ساخت.

شرکت تحقیقاتی 20 میلیون دلاری مستقر در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، اکنون پیشرفت قابل توجهی را برای رسیدن به این هدف گزارش می‌کند، همانطور که سه مقاله جدید نشان می‌دهد که با سه مانع اصلی مقابله می‌کند: نحوه برنامه‌ریزی مجدد سلول‌ها برای تامین بلوک‌های سازنده ریبوزوم به غیر از آلفا. -اسیدهای آمینه که امروزه همه پروتئین ها را تشکیل می دهند. چگونه می توان پیش بینی کرد که کدام بلوک های ساختمانی بهترین بستر را می سازند. و چگونه می توان ریبوزوم را برای ترکیب این بلوک های ساختمانی جدید در پلیمرها تغییر داد.

هدف نهایی مرکز ملی علوم برای مواد رمزگذاری شده ژنتیکی (C-GEM) این است که سیستم ترجمه را کاملاً قابل برنامه‌ریزی کند، به طوری که دستورالعمل‌های mRNA را به همراه بلوک‌های ساختمانی جدید وارد سلول کند. نه آلفا آمینو اسیدهایی که امروزه یافت می شوند -; به ریبوزوم اجازه می دهد تا انواع نامحدودی از زنجیره های مولکولی جدید تولید کند. این زنجیره ها می توانند پایه ای برای مواد زیستی جدید، آنزیم های جدید و حتی داروهای جدید باشند.

مقالاتی که در مجلات ظاهر می شوند شیمی طبیعت و علوم مرکزی ACS، آغاز یک کتاب راهنما برای مهندسی مجدد ماشین آلات مصنوعی سلولی برای تولید پلیمرهایی هستند که قبلاً دیده نشده بودند، از جمله پلیمرهای زیستی و پلیمرهای دایره ای که به آنها ماکروسیکل های پپتیدی می گویند، با کاربردهای از پیش تعیین شده یا کاملاً پیش بینی نشده.

C-GEM روی بیوسنتز مولکول‌هایی کار می‌کند که قبلاً هرگز در یک سلول ساخته نشده‌اند و به گونه‌ای طراحی شده‌اند که خواص منحصربه‌فردی داشته باشند. این ابزارها را می‌توان به طور گسترده توسط شیمی‌دانان پلیمر، شیمی‌دانان دارویی و دانشمندان بیومواد برای تولید مواد سفارشی با عملکردهای جدید به کار برد. هدف نهایی گسترش عملکرد و تطبیق پذیری پروتئین ها و پلی پپتیدها به عنوان مواد و داروها است.

آلانا شپارتز، مدیر C-GEM، TZ و Irmgard Chu کرسی ممتاز در شیمی و استاد زیست شناسی مولکولی و سلولی در دانشگاه کالیفرنیا برکلی

او گفت که یک مثال برنامه ریزی ریبوزوم برای سنتز پلیمری است که ترکیبی از ابریشم عنکبوت است. یکی از سخت ترین پروتئین های طبیعی -؛ و نایلون، پلیمری که اکنون در اتاقک های واکنش شیمیایی ساخته می شود. در حالی که ابریشم عنکبوت را می‌توان در میکروب‌های مهندسی ژنتیکی ساخت، فناوری C-GEM در حال توسعه است که می‌تواند به میکروب‌های مشابه اجازه دهد تا انواع بی‌شماری از پلیمرها را با ترکیب بلوک‌های سازنده ابریشم و نایلون بسازند که همگی برای شیمی‌دانان جدید و دارای خواص منحصربه‌فردی هستند. همچنین می‌توان از این فناوری برای ساخت پلیمرهای پروتئین‌مانند در برابر حرارت مقاوم‌تر از پروتئین‌های طبیعی استفاده کرد.

یکی از جنبه‌های قدرتمند یک ماشین ریبوزوم قابل برنامه‌ریزی که می‌تواند پلیمرها را سنتز کند این است که به محققان اجازه می‌دهد تا پلیمرها را تکامل دهند تا فعالیت خود را کامل کنند، همانطور که پروتئین‌ها طی صدها میلیون سال تکامل یافته‌اند تا تناسب سلول‌ها و موجودات را بهبود بخشند.

جیمی کیت، استاد شیمی دانشگاه کالیفرنیا برکلی، گفت: «ما میلیاردها سال است که پلیمرهای پروتئینی در حال تکامل روی کره زمین داشته‌ایم، اما در مورد این پلیمرها محدود شده‌ایم زیرا بلوک‌های سازنده همان 20 اسید آمینه هستند. زیست شناسی مولکولی و سلولی “اگر ما بتوانیم سیستمی ایجاد کنیم که در آن شما واقعاً بتوانید تکامل را برای این پلیمرهای جدید اعمال کنید، آنگاه مانند یک پلتفرم است که هر کسی که ایده خلاقانه ای دارد می تواند از آن برای تکامل یک پلیمر به چیزی که می خواهد استفاده کند.”

چنین سیستمی بر اساس تکامل هدایت شده آنزیم های پروتئینی است که فرانسیس آرنولد، فارغ التحصیل دانشگاه برکلی، جایزه نوبل شیمی 2018 را برای آن دریافت کرد.

کیت گفت: «این یک قدم فراتر از کاری است که فرانسیس آرنولد در توسعه تکامل هدایت شده انجام داد. او تکامل هدایت شده ای را برای پروتئین ها ایجاد کرد. کاری که ما در تلاشیم انجام دهیم این است که راهی را ایجاد کنیم که شما بتوانید این کار را برای پلیمرهایی که قبلاً در طبیعت تکامل نیافته بودند انجام دهید.

مهندسی یک ریبوزوم کاملاً جدید

در همه سلول ها، پروتئین ها توسط یک نانوماشین، ریبوزوم، جمع می شوند که دستورالعمل های یک مولکول RNA به نام RNA پیام رسان (mRNA) را می پذیرد. mRNA شبیه یک کپی کاری از کد DNA یک ژن است -; و آن دستورالعمل ها را برای جمع آوری یک پروتئین، اسید آمینه توسط اسید آمینه می خواند. به طور شگفت انگیزی، زنجیره پروتئینی خطی تقریباً همیشه به یک ساختار سه بعدی کاملاً تعریف شده تا می شود، آماده برای خدمت به هدف تکامل یافته خود: به عنوان یک آنزیم برای کاتالیز کردن واکنش ها در سلول، به عنوان یک جزء ساختاری سلول، یا به عنوان تنظیم کننده سایر فعالیت های سلولی. .

ده سال پیش، بازسازی این نانوماشین پیچیده غیرممکن به نظر می رسید. اما سرسختی Schepartz در اصرار برای پروژه ای برای تحقق این هدف منجر به C-GEM شد که سه سال از اولین چرخه بودجه پنج ساله خود می گذرد.

یکی از اهداف این مرکز تامین بلوک های سازنده ریبوزوم است -; به اصطلاح مونومر -؛ غیر از اسیدهای آمینه آلفا برای دستیابی به این هدف، تیم C-GEM بر روی آنزیم‌هایی تمرکز کرد که مونومرهای اسید آمینه را روی RNA انتقالی (tRNA) بارگذاری می‌کنند، مولکول‌هایی که اسیدهای آمینه را به ریبوزوم می‌رسانند. هر tRNA با نوار کد مشخص می شود که کدام یک از 20 اسید آمینه را حمل می کند.

همانطور که در a شیمی طبیعت مقاله ای که در 1 ژوئن منتشر شد و توسط Schepartz و دانشجویان فارغ التحصیل Riley Fricke و Cameron Swenson منتشر شد، تیم کشف کردند که یک خانواده از سنتتازهای tRNA می تواند tRNA را با چهار اسید غیر آلفا آمینه مختلف بارگذاری کند. یکی از اینها بلوک ساختمانی از داروهای مختلف پلی کتیدی، از جمله آنتی بیوتیک های اریترومایسین و تتراسایکلین بود.

Schepartz گفت: “ما آنزیم هایی را شناسایی کردیم که tRNA ها را با مونومرهایی بارگذاری می کنند که از نظر ساختاری با هر چیزی که قبلاً روی یک tRNA بارگذاری شده بود متفاوت است.” یکی از مونومرها پیش ماده ای است که می تواند برای جمع آوری مولکول های پلی کتید مانند استفاده شود. دانشمندان برای دهه ها تلاش کرده اند تا ماژول های پلی کتید سنتاز را برای تولید کتابخانه هایی از محصولات طبیعی دوباره مهندسی کنند. اما بخش مهندسی بسیار سخت بوده است.”

مونومرهای جدید با کمال میل توسط ریبوزوم بومی باکتری پذیرفته شدند E. coli، نشان می دهد که می توان انواع مختلفی از مواد شیمیایی را در پلیمر پروتئینی معمولی تمام اسید آمینه ترکیب کرد.

وی افزود: «مقاومت آنتی بیوتیکی یک مشکل بزرگ است. اگر بتوانیم با تولید مولکول‌های جدیدی که عملکردهای آن‌ها حالت‌های عمل منحصربه‌فرد را رمزگذاری می‌کنند، به حل این مشکل کمک کنیم، کمک بزرگی خواهد بود.»

در مقاله دوم، که در 30 مه منتشر شد علوم مرکزی ACSچادریما موجومدار، نویسنده اصلی و همکار فوق دکترا، همراه با کیت و شپارتز، از میکروسکوپ الکترونی برودتی (cryo-EM) برای به دست آوردن ساختارهای دقیق سه مونومر مرتبط استفاده کردند. هیچ یک از آنها آلفا آمینه اسید -; مقید به E. coli ریبوزوم جزئیات نشان می دهد که چگونه این مونومرها متصل می شوند -; هر چند بسیار ضعیف تر از اسیدهای آمینه -; و نکاتی در مورد چگونگی تغییر مونومرها یا ریبوزوم ها برای بهبود توانایی ریبوزوم در استفاده از آنها برای ساخت پلیمرهای جدید ارائه دهید.

در مقاله سوم، که در 12 ژوئن منتشر شد شیمی طبیعت، کیت، شپارتز و نویسنده اصلی زوئی واتسون، یک محقق فوق دکترا، ساختار cryo-EM را گزارش می کنند. E. coli ریبوزوم در حالی که اسیدهای آلفا آمینه طبیعی را متصل می کند. برای این مقاله، تیم با شرکت شرودینگر در سن دیگو، که از رایانه برای مدل‌سازی اتصال پروتئین استفاده می‌کند، همکاری کرد. آرا آبرامیان از شرودینگر از ساختار cryo-EM به عنوان نقطه شروع برای اجرای شبیه‌سازی‌های متادینامیک برای کمک به درک اینکه کدام مونومرهای غیرطبیعی در مرکز کاتالیزوری ریبوزوم واکنش نشان می‌دهند، استفاده کرد. مرکز پپتیدیل ترانسفراز (PTC) -؛ و کدام نخواهد بود.

Schepartz و Cate تاکید کردند که همه این تغییرات در سیستم ریبوزومی باید در داخل یک سلول زنده مستقل از ریبوزوم های معمولی عمل کنند تا تولید پلیمرهای جدید با تولید روزانه پروتئین لازم برای زندگی تداخل نداشته باشد.

Schepartz می‌گوید: «ما آنزیم‌ها – سنتتازها – و ریبوزوم‌هایی می‌خواهیم که بتوان در یک سلول استفاده کرد، زیرا به این ترتیب این کار مقیاس‌پذیر خواهد بود. “این هدف مستلزم ریبوزوم‌های قوی، آنزیم‌های عالی و درک زیادی درباره شیمی نحوه کار این ماشین‌های مولکولی پیچیده است. این یک مشکل سخت است، اما بسیار سرگرم‌کننده است. و ما دانش‌آموزان و فوق‌دکتری‌ها را با علم واقعاً عالی آشنا می‌کنیم.”

در میان نویسندگان، محققین C-GEM متیو فرانسیس از دانشگاه برکلی، اسکات میلر از دانشگاه ییل، آبیشک چاترجی از کالج بوستون، بهاوانا شاه و ژونکی ژانگ از شرکت Amgen و مدیر عامل C-GEM سارا اسماگا هستند. Schepartz همچنین یکی از اعضای Chan Zuckerberg Biohub و موسسه کالیفرنیا برای علوم زیستی کمی (QB3) است. کیت یکی از اعضای موسسه ژنومیک نوآورانه است. Schepartz و Cate هر دو از دانشمندان دانشکده آزمایشگاه ملی لارنس برکلی هستند.