Ingenieure erschaffen Bakterien, die eine unnatürliche Aminosäure synthetisieren können

Von University of Delaware, 19. Juli 2023

Wissenschaftler haben Bakterien so manipuliert, dass sie pN-Phe produzieren, eine nicht standardmäßige Aminosäure mit potenziellen medizinischen Anwendungen. Zukünftige Arbeiten werden diesen Prozess optimieren und sein Potenzial für Impfstoffe und Immuntherapien erkunden.

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"}]"> Aminosäuren. Die Natur bietet jedoch eine beeindruckende Vielfalt von über 500 verschiedenen Aminosäuren. Darüber hinaus wurde durch menschliches Einfallsreichtum eine Fülle synthetischer Aminosäuren geschaffen. Diese alternativen Aminosäuren sind vielversprechend für die Entwicklung innovativer Arzneimittel und therapeutischer Behandlungen.

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"}]"> Säure, die eine seltene funktionelle Gruppe enthält, von der andere gezeigt haben, dass sie Auswirkungen auf die Regulierung unseres Immunsystems hat. Die Forscher brachten außerdem einem einzelnen Bakterienstamm bei, die Aminosäure zu erzeugen und sie an bestimmten Stellen in Zielproteinen zu platzieren. Diese in Nature Chemical Biology veröffentlichten Erkenntnisse bilden eine Grundlage für die zukünftige Entwicklung einzigartiger Impfstoffe und Immuntherapien.

Das Kunjapur-Labor nutzt Werkzeuge der synthetischen Biologie und der Gentechnik, um Mikroorganismen zu erschaffen, die verschiedene Arten von Verbindungen und Molekülen synthetisieren können, insbesondere solche mit funktionellen Gruppen oder Eigenschaften, die in der Natur nicht gut vorkommen.

In dieser Studie konzentrierten sich die Forscher auf Para-Nitro-L-Phenylalanin (pN-Phe), eine nicht standardmäßige Aminosäure, die weder zu den zwanzig Standardaminosäuren gehört noch in der Natur beobachtet wurde. Andere Forschungsgruppen haben pN-Phe als Werkzeug genutzt, um das Immunsystem dazu anzuregen, auf Proteine ​​zu reagieren, die es normalerweise ignoriert.

„Die chemische Funktionsgruppe Nitro hat wertvolle Eigenschaften und wurde von Leuten, die versuchen, den Stoffwechsel neu zu programmieren, noch nicht ausreichend erforscht“, sagte Kunjapur. „pN-Phe hat auch eine schöne Geschichte in der Literatur – es kann einem Protein einer Maus hinzugefügt und an Mäuse zurückgegeben werden, und das Immunsystem toleriert die ursprüngliche Version dieses Proteins nicht mehr. Diese Fähigkeit ist vielversprechend für die Behandlung oder Vorbeugung von Krankheiten, die durch schädliche Proteine ​​verursacht werden, an die sich das Immunsystem nur schwer binden kann.“

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. Durch die Kombination von Metabolic-Engineering-Techniken mit der Erweiterung des genetischen Codes konnten die Forscher ein System schaffen, das autonom nitrierte Proteine ​​produziert.

„Aufgrund der Chemie funktioneller Nitrogruppen war die Aminosäure, die wir als Ziel für dieses Projekt ausgewählt haben, unkonventionell, und viele Wissenschaftler auf unserem Gebiet haben möglicherweise nicht erwartet, dass sie mithilfe der Biosynthese hergestellt werden könnte“, sagte Kunjapur.

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"}]"> New Innovator Award des Direktors des National Institutes of Health. Um dieses langfristige Ziel weiter zu unterstützen, haben Kunjapur und Neil Butler, Doktorand und Erstautor dieser Arbeit, Nitro Biosciences mitgegründet.

„Ich denke, die Implikationen sind interessant, da man den zentralen Stoffwechsel eines Bakteriums und seine Fähigkeit, verschiedene Verbindungen zu produzieren, nehmen und mit ein paar Modifikationen sein chemisches Repertoire erweitern kann“, sagte Butler. „Die Nitro-Funktionalität ist in der Biologie selten und fehlt in den standardmäßigen 20 Aminosäuren, aber wir haben gezeigt, dass der bakterielle Stoffwechsel so formbar ist, dass er neu verdrahtet werden kann, um diese Funktionalität zu schaffen und zu integrieren.“

Kunjapur fügte hinzu: „Bakterien sind potenziell nützliche Vehikel für die Arzneimittelabgabe. Wir glauben, dass wir ein Werkzeug geschaffen haben, das die Fähigkeit von Bakterien nutzen könnte, Zielantigene im Körper zu produzieren und gleichzeitig die Fähigkeit der Nitrierung zu nutzen, um diese Antigene zu beleuchten.“

Referenz: „Eine Plattform für die verteilte Produktion synthetischer nitrierter Proteine ​​in lebenden Bakterien“ von Neil D. Butler, Sabyasachi Sen, Lucas B. Brown, Minwei Lin und Aditya M. Kunjapur, 15. Mai 2023, Nature Chemical Biology.DOI: 10.1038/ s41589-023-01338-x

Die Forschung wurde durch ein Stipendium der National Science Foundation finanziert.