Инженеры создают бактерии, способные синтезировать неприродную аминокислоту

Автор: Университет штата Делавэр, 19 июля 2023 г.

Ученые создали бактерии для производства pN-Phe, нестандартной аминокислоты, имеющей потенциальное медицинское применение. Будущая работа позволит оптимизировать этот процесс и изучить его потенциал в вакцинах и иммунотерапии.

Amino acids serve as the foundational elements of proteins, vital to the optimal functioning of biological structures. Proteins in all life forms are composed of 20 core amino acids<div class="cell text-container large-6 small-order-0 large-order-1"><div class="text-wrapper"><br />Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.<br /></div></div>" data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> аминокислоты. Однако природа предлагает впечатляющее разнообразие из более чем 500 различных аминокислот. Кроме того, благодаря человеческой изобретательности было создано множество синтетических аминокислот. Эти альтернативные аминокислоты открывают перспективы для разработки инновационных фармацевтических препаратов и терапевтических методов лечения.

Now, University of Delaware researchers in the lab of Aditya Kunjapur, assistant professor in the College of Engineering’s Department of Chemical and Biomolecular Engineering, have engineered bacteria to synthesize an amino acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> кислота, содержащая редкую функциональную группу, которая, как показали другие, имеет значение в регуляции нашей иммунной системы. Исследователи также научили один бактериальный штамм создавать аминокислоту и размещать ее в определенных участках целевых белков. Эти результаты, опубликованные в журнале Nature Chemical Biology, создают основу для разработки уникальных вакцин и иммунотерапии в будущем.

Лаборатория Кунджапура использует инструменты синтетической биологии и генной инженерии для создания микроорганизмов, способных синтезировать различные типы соединений и молекул, особенно с функциональными группами или свойствами, которые мало представлены в природе.

В этом исследовании исследователи сосредоточились на пара-нитро-L-фенилаланине (pN-Phe), нестандартной аминокислоте, которая не входит ни в одну из двадцати стандартных аминокислот и не наблюдалась в природе. Другие исследовательские группы использовали pN-Phe как инструмент, стимулирующий иммунную систему реагировать на белки, которые она обычно игнорирует.

«Нитрохимическая функциональная группа обладает ценными свойствами и недостаточно изучена людьми, которые пытаются изменить метаболизм», — сказал Кунджапур. «pN-Phe также имеет хорошую историю в литературе — его можно добавить к белку мыши, доставить обратно мышам, и иммунная система больше не будет переносить исходную версию этого белка. Эта способность обещает помочь в лечении или профилактике заболеваний, вызванных мошенническими белками, которые иммунная система пытается захватить».

Genetic code expansion methods allowed the researchers to increase the “alphabet” of available amino acids encoded by DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person’s body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"DNA. By coupling metabolic engineering techniques with genetic code expansion, the researchers were able to create a system that produces nitrated proteins autonomously./p>

The next step for this research is to optimize their methods to synthesize higher amounts of nitrated proteins and expand this work into other microorganisms. The long-term goal is to further refine this platform for applications related to vaccines or immunotherapies, efforts that are supported by Kunjapur’s 2021 AIChE Langer Prize and the 2022 National Institutes of HealthThe National Institutes of Health (NIH) is the primary agency of the United States government responsible for biomedical and public health research. Founded in 1887, it is a part of the U.S. Department of Health and Human Services. The NIH conducts its own scientific research through its Intramural Research Program (IRP) and provides major biomedical research funding to non-NIH research facilities through its Extramural Research Program. With 27 different institutes and centers under its umbrella, the NIH covers a broad spectrum of health-related research, including specific diseases, population health, clinical research, and fundamental biological processes. Its mission is to seek fundamental knowledge about the nature and behavior of living systems and the application of that knowledge to enhance health, lengthen life, and reduce illness and disability." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"National Institutes of Health Director’s New Innovator Award. To further support this long-term goal, Kunjapur and Neil Butler, doctoral candidate and first author on this paper, co-founded Nitro Biosciences./p>