Las células son increíblemente hábiles para crear moléculas complejas, como la terapéutica, y puede hacerlo mucho mejor que muchas de nuestras mejores fábricas.

Los biólogos sintéticos buscan rediseñar las células para producir estas moléculas para necesidades específicas, incluyendo aplicaciones farmacéuticas y energéticas. Pero el proceso de prueba y error es difícil y requiere mucho tiempo, y a menudo compite con otros objetivos y procesos de la célula, como el crecimiento y la supervivencia.

Un nuevo método desarrollado en la Northwestern University combina dos enfoques de investigación de vanguardia para crear una forma eficiente de diseñar y analizar las vías metabólicas.

Los enfoques (síntesis de proteínas sin células y espectrometría de masas de ionización por desorción de monocapa autoensamblada (SAMDI)) se combinan para crear una nueva herramienta para ayudar a los ingenieros a comprender mejor las vías para crear moléculas.

"Con estos dos métodos, podemos construir miles de mezclas potenciales y probarlas todas en un solo día, un proceso mucho más rápido que brindará nuevos conocimientos y reglas de diseño para los biólogos sintéticos, "dijo Milan Mrksich, el Profesor Henry Wade Rogers de Ingeniería Biomédica, Química, y Biología Celular y Molecular en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. También es codirector del Centro de Biología Sintética de Northwestern.

Los resultados fueron publicados el 5 de junio en la revista Avances de la ciencia . Michael Jewett, el profesor Charles Deering McCormick de excelencia docente, profesor de ingeniería química y biológica, y codirector del Centro de Biología Sintética, es coautor correspondiente de la investigación.

Creando enzimas a través de la síntesis libre de células.

Las células desarrollan moléculas complejas a través de enzimas, la proteína que se usa para convertir una molécula en otra. A través de una serie de estas conversiones, un metabolito se convierte en una molécula compleja, uno que a menudo se asocia con el beneficio social.

Para que los ingenieros imiten este proceso, necesitan identificar qué enzimas se requieren para darles la molécula deseada. Una vez que entienden esa vía metabólica, pueden diseñar una célula, a menudo una célula bacteriana, para producir las enzimas necesarias para crear la molécula diana. Por ejemplo, La coenzima A (CoA) es una molécula central en el metabolismo, y los biólogos sintéticos han utilizado sus vías dependientes para diseñar medicamentos antipalúdicos, levadura, y biocombustibles avanzados.

Pero encontrar estas vías es un proceso de prueba y error que puede llevar días de esfuerzo tanto para diseñar como para luego probar el resultado. Para superar esto El laboratorio de Jewett ha desarrollado un proceso de síntesis de proteínas sin células que crea solo las enzimas necesarias para producir las moléculas del producto objetivo. pero sin tener que utilizar toda la celda. Aquí, el laboratorio creó enzimas, lo que les permite mezclar y combinar enzimas potenciales en tubos de reacción sin que sus objetivos finales compitan con los otros objetivos de una célula, como mantener su metabolismo.

"La síntesis de proteínas sin células es una tecnología realmente interesante, "El enfoque basado en cócteles para construir funciones biosintéticas utilizando sistemas libres de células que describimos aquí", dijo Jewett, está logrando una libertad de diseño sin precedentes para expandir las capacidades de los biocatalizadores naturales ".

Analizando rápidamente con SAMDI

Una vez creadas estas soluciones, probar su éxito requiere al menos media hora por muestra. Debido a que hay tantas soluciones posibles, ese proceso manual no es lo suficientemente eficiente para buscar los resultados óptimos.

Ahí es donde entra en juego la espectrometría de masas SAMDI de Mrksich. La tecnología mide las reacciones bioquímicas de forma extremadamente rápida y económica. "Podemos probar fácilmente 10, 000 mezclas de reacción en un solo día para determinar qué moléculas se sintetizaron y qué cantidad de cada una está presente en las mezclas de reacción, "Dijo Mrksich.

Adicionalmente, el método les permite observar todas las moléculas presentes en la reacción, lo que significa que pueden encontrar moléculas que no necesariamente estaban buscando en primer lugar. "Eso es muy emocionante, "Es una poderosa herramienta científica que nos enseña cómo estas reacciones se equilibran y se intercambian entre sí en la célula", dijo Mrksich.

Creando fábricas con células

Para probar este método, los investigadores sintetizaron hidroximetilglutaril-CoA (HMG-CoA), un metabolito común utilizado en la síntesis de muchas moléculas complejas, incluida una clase de moléculas importantes conocidas como isoprenoides (incluidos esteroides y medicamentos contra el cáncer), y mapeó más de 800 condiciones de reacción únicas.

"Hoy dia, un proyecto típico de biología sintética podría explorar docenas de variantes de una vía, "Dijo Jewett." Con nuestro método, mostramos que es posible probar cientos o miles de variaciones de vías. Esto es importante porque permitirá nuevos tipos de diseño basado en datos para facilitar la optimización de la ruta ".

Debido a que el método SAMDI crea tantos puntos de datos para cada prueba, Los investigadores esperan emplear más métodos de aprendizaje automático e inteligencia artificial en el futuro para ayudarlos a analizar y dar sentido a todos los datos.

El objetivo final es tener suficiente conocimiento para aprovechar el poder de una célula para crear productos farmacéuticos de próxima generación y productos químicos sostenibles para la energía. Así como los rápidos aumentos en el rendimiento de los dispositivos computacionales, descritos por la ley de Moore, han tenido un impacto profundo en toda la industria de la computación y la electrónica de consumo, "este enfoque representa el siguiente paso en la ingeniería que tendrá un impacto análogo en la biología sintética para todas sus aplicaciones, "Dijo Jewett.

"Imagínese reemplazar fábricas enteras con un barril de bacterias, ", Dijo Mrksich." Esas células bacterianas pueden diseñarse para producir nuestras moléculas objetivo, sin las altas temperaturas y los solventes y productos químicos peligrosos que normalmente se requieren. Es una ruta atractiva para fabricar productos químicos, y con este nuevo proceso, hemos mejorado significativamente la eficiencia con la que se pueden descubrir y optimizar las rutas ".