Los biólogos sintéticos que trabajan en un proyecto del Ejército de los EE. UU. Han desarrollado un proceso que podría conducir a una nueva clase de polímeros sintéticos que pueden crear nuevos materiales y terapias de alto rendimiento para los soldados.

Comunicaciones de la naturaleza investigación publicada realizada por investigadores financiados por el Ejército en la Universidad Northwestern, que desarrolló un conjunto de reglas de diseño para guiar cómo los ribosomas, una estructura celular que produce proteínas, puede incorporar nuevos tipos de monómeros, que se pueden unir con moléculas idénticas para formar polímeros.

"Estos hallazgos son un emocionante paso adelante para lograr polímeros sintéticos de secuencia definida, que ha sido un gran desafío en el campo de la química de polímeros, "dijo el Dr. Dawanne Poree, director del programa, química de polímeros en la Oficina de Investigación del Ejército. "La capacidad de aprovechar y adaptar la maquinaria celular para producir polímeros no biológicos, en esencia, llevar materiales sintéticos al ámbito de las funciones biológicas. Esto podría volverse avanzado, materiales de alto rendimiento como la nanoelectrónica, materiales autocurativos, y otros materiales de interés para el Ejército ".

Polímeros biológicos como el ADN, tienen secuencias de bloques de construcción precisas que proporcionan una variedad de funciones avanzadas, como el almacenamiento de información y la autorreplicación. Este proyecto analizó cómo rediseñar la maquinaria biológica para permitirle trabajar con bloques de construcción no biológicos que ofrecerían una ruta para crear polímeros sintéticos con la precisión de la biología.

"Estos nuevos polímeros sintéticos pueden permitir el desarrollo de equipos de protección personal avanzados, electrónica sofisticada, celdas de combustible, células solares avanzadas y nanofabricación, que son clave para la protección y el desempeño de los soldados, "Dijo Poree.

"Nos propusimos ampliar la gama de monómeros ribosomales para la síntesis de proteínas para permitir nuevas direcciones en la biofabricación, "dijo Michael Jewett, el profesor Charles Deering McCormick de excelencia docente, profesor de ingeniería química y biológica, y director del Centro de Biología Sintética de la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. "Lo que es tan emocionante es que aprendimos que el ribosoma puede acomodar más tipos de monómeros de los que esperábamos, lo que prepara el escenario para usar el ribosoma como una máquina general para crear clases de materiales y medicamentos que no se han sintetizado antes ".

La producción de proteínas recombinantes por el ribosoma ha transformado la vida de millones de personas a través de la síntesis de biofarmacéuticos. como la insulina, y enzimas industriales que se utilizan en detergentes para ropa. En naturaleza, sin embargo, el ribosoma solo incorpora monómeros de aminoácidos naturales en polímeros de proteínas.

Para ampliar el repertorio de monómeros utilizados por el ribosoma, El equipo de Jewett se propuso identificar reglas de diseño para unir monómeros con ácido ribonucleico de transferencia, conocidos como ARNt. Esto se debe a que hacer que el ribosoma use un nuevo monómero no es tan simple como introducir un nuevo monómero en el ribosoma. Los monómeros deben estar unidos a los ARNt, que son las moléculas que las llevan al ribosoma. Muchos procesos actuales para unir monómeros a ARNt son difíciles y requieren mucho tiempo. pero un proceso relativamente nuevo llamado flexizyme permite una unión más fácil y flexible de monómeros.

Para desarrollar las reglas de diseño para usar flexizyme, los investigadores crearon 37 monómeros que eran nuevos para el ribosoma a partir de un repertorio diverso de andamios. Luego, demostraron que los monómeros que podrían unirse a los ARNt podrían usarse para producir decenas de nuevos híbridos de péptidos. Finalmente, validaron sus reglas de diseño guiando de manera predecible la búsqueda de aún más monómeros nuevos.

"Con las nuevas reglas de diseño, mostramos que podemos evitar los enfoques de prueba y error que históricamente se han asociado con el desarrollo de nuevos monómeros para su uso por el ribosoma, "Dijo Jewett.

Estas nuevas reglas de diseño deberían acelerar el ritmo en el que los investigadores pueden incorporar nuevos monómeros, lo que finalmente conducirá a nuevos bioproductos sintetizados por el ribosoma. Por ejemplo, Los materiales fabricados con monómeros resistentes a las proteasas podrían dar lugar a fármacos antimicrobianos que combatan la creciente resistencia a los antibióticos.

La investigación es parte del programa de Iniciativas de Investigación Universitaria Multidisciplinaria del Departamento de Defensa, apoyado por ARO, en el que Jewett está trabajando con investigadores de otras tres universidades para rediseñar el ribosoma como catalizador biológico para fabricar nuevos polímeros químicos. ARO es un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU.

"Es sorprendente que el ribosoma pueda acomodar la variedad de monómeros que mostramos, "Eso es realmente alentador para los esfuerzos futuros de reutilizar los ribosomas", dijo Jewett.