En años recientes, Los científicos han diseñado bacterias con códigos genéticos expandidos que producen proteínas hechas de una gama más amplia de componentes moleculares. abriendo un frente prometedor en la ingeniería de proteínas.

Ahora, Los científicos de Scripps Research han demostrado que estas bacterias sintéticas pueden desarrollar proteínas en el laboratorio con propiedades mejoradas utilizando mecanismos que podrían no ser posibles con los componentes básicos de 20 aminoácidos de la naturaleza.

Exponer bacterias con un código genético expandido artificialmente a temperaturas a las que normalmente no pueden crecer. los investigadores encontraron que algunas de las bacterias desarrollaron nuevas proteínas resistentes al calor que permanecen estables a temperaturas en las que normalmente se inactivarían. Los investigadores informaron sus hallazgos en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense ( JACS ).

Prácticamente todos los organismos de la tierra utilizan los mismos 20 aminoácidos como componentes básicos para producir proteínas, las moléculas grandes que llevan a cabo la mayoría de las funciones celulares. Peter Schultz, Doctor., el autor principal de la JACS periódico y presidente y director ejecutivo de Scripps Research, fue pionero en un método para reprogramar la propia maquinaria biosintética de proteínas de la célula para agregar nuevos aminoácidos a las proteínas, denominados aminoácidos no canónicos (ncAA), con estructuras químicas y propiedades que no se encuentran en los 20 aminoácidos comunes.

Este código genético ampliado se ha utilizado en el pasado para diseñar de forma racional proteínas con propiedades novedosas que se utilizarán como herramientas para estudiar cómo funcionan las proteínas en las células y como nuevos fármacos contra el cáncer diseñados con precisión. Los investigadores ahora preguntaron si las bacterias sintéticas con códigos genéticos expandidos tienen una ventaja evolutiva sobre aquellas que están limitadas a 20 bloques de construcción. ¿Es un código de 21 aminoácidos mejor que un código de 20 aminoácidos desde una perspectiva de aptitud evolutiva?

"Desde que ampliamos por primera vez la gama de aminoácidos que se pueden incorporar a las proteínas, se ha trabajado mucho en el uso de estos sistemas para diseñar moléculas con propiedades nuevas o mejoradas, "dice Schultz." Aquí, hemos demostrado que combinando un código genético expandido con una evolución de laboratorio se pueden crear proteínas con propiedades mejoradas que pueden no ser fácilmente alcanzables con el conjunto más limitado de la naturaleza ".

Los científicos comenzaron ajustando el genoma de E. coli para que las bacterias pudieran producir la proteína homoserina o-succiniltransferasa (metA) utilizando un código de 21 aminoácidos en lugar del código común de 20 aminoácidos. Una enzima metabólica importante, metA dicta la temperatura máxima a la que E. coli puede prosperar. Por encima de esa temperatura metA comienza a inactivarse y las bacterias mueren. Luego, los investigadores hicieron mutantes de metA, en el que casi cualquier aminoácido de la proteína natural podría reemplazarse con un 21º aminoácido no canónico.

En este punto, dejan que la selección natural, el mecanismo central de la evolución, haga su magia. Al calentar las bacterias a 44 grados Celsius, una temperatura a la que la proteína metA normal no puede funcionar, y como consecuencia, las bacterias no pueden crecer:los científicos ejercen una presión selectiva sobre la población de bacterias. Como se esperaba, algunas de las bacterias mutantes pudieron sobrevivir más allá de su techo de temperatura típico, gracias a la posesión de una metA mutante que era más estable al calor, todas las demás bacterias murieron.

De este modo, Los investigadores pudieron hacer que las bacterias desarrollaran una enzima metA mutante que pudiera soportar temperaturas 21 grados más altas de lo normal. casi el doble del aumento de estabilidad térmica que las personas suelen lograr cuando se limitan a mutaciones limitadas a los componentes básicos comunes de 20 aminoácidos.

Luego, los investigadores identificaron el cambio de secuencia genética específica que resultó en el mutante metA y descubrieron que se debía a las propiedades químicas únicas de uno de sus aminoácidos no canónicos que la evolución de laboratorio explotó de una manera inteligente para estabilizar la proteína.

"Es sorprendente cómo hacer una mutación tan pequeña con un nuevo aminoácido que no está presente en la naturaleza conduce a una mejora tan significativa en las propiedades físicas de la proteína, "dice Schultz.

"Este experimento plantea la cuestión de si un código de 20 aminoácidos es el código genético óptimo; si descubrimos formas de vida con códigos expandidos, tendrán una ventaja evolutiva". y ¿cómo seríamos nosotros si Dios hubiera trabajado en el séptimo día y hubiera agregado algunos aminoácidos más al código? "