El químico de la Universidad de Rice, Han Xiao, y su equipo han expandido con éxito el código genético de la bacteria Escherichia coli para producir un bloque de construcción sintético, un "aminoácido no canónico". El resultado es un indicador vivo del estrés oxidativo.

La obra, ellos dicen, es un paso hacia tecnologías que permitirán la generación de nuevas proteínas y organismos con una variedad de funciones útiles.

Su estudio aparece en la revista Cell Press. Chem .

Los aminoácidos son los componentes básicos del ADN. En general, los organismos solo necesitan 20 de ellos para programar todo el conjunto de proteínas necesarias para la vida. Pero Xiao, con la ayuda de una subvención de los Institutos Nacionales de Salud de $ 1.8 millones, se propuso ver cómo un 21º aminoácido permitiría el diseño de "organismos no naturales" que sirvan para propósitos específicos.

El nuevo estudio hace precisamente eso al manipular bacterias para producir el aminoácido extra, llamado 5-hidroxil-triptófano (5HTP), que aparece naturalmente en humanos como precursor del neurotransmisor serotonina, pero no en E. coli. La nueva producción de 5HTP impulsa a las bacterias a producir una proteína que emite fluorescencia cuando el organismo está bajo estrés metabólico.

"El proceso requiere muchas técnicas interdisciplinarias, "Dijo Xiao." En este estudio, combinamos la química sintética, biología sintética e ingeniería metabólica para crear una cepa que sintetice y codifique un aminoácido no canónico número 21, y luego lo usa para producir la proteína deseada ".

Xiao dijo que programar las bacterias no naturales autónomas era un proceso de tres pasos:Primero, los investigadores dirigidos por el estudiante graduado Yuda Chen crearon una maquinaria de traslación bioortogonal para el aminoácido, 5HTP. Segundo, encontraron y apuntaron a un codón en blanco, una secuencia en el ADN o ARN que no produce una proteína, y lo editaron genéticamente para codificar 5HTP. Tercera, injertando grupos de enzimas de otras especies en E. coli, le dieron a las bacterias la capacidad de producir 5HTP.

"Estas proteínas que contienen 5HTP, aislado de las bacterias programadas, se puede etiquetar adicionalmente con medicamentos u otras moléculas, "Dijo Xiao." Aquí, mostramos que la cepa en sí puede servir como un indicador vivo de especies reactivas de oxígeno, y el límite de detección es realmente bajo ".

Si bien los investigadores han informado de la creación de más de 200 aminoácidos no canónicos hasta la fecha, la mayoría de ellos no pueden ser sintetizados por sus organismos huéspedes. "Este ha sido un campo continuo durante décadas, pero antes la gente se enfocaba en la parte química, "Dijo Xiao." Nuestra visión es diseñar células completas con el aminoácido 21 que nos permitirá investigar problemas biológicos o médicos en organismos vivos ". en lugar de simplemente tratar con células en el laboratorio.

"El traslado de esta tecnología a la especie huésped elimina la necesidad de inyectar bloques de construcción artificiales en un organismo, porque pueden sintetizarlo y usarlo por sí mismos, ", dijo." Eso nos permite estudiar los aminoácidos no canónicos a un nivel superior, nivel de todo el organismo ".

Por último, los investigadores esperan que los bloques de construcción personalizados permitan células específicas, como los de los tumores, para fabricar sus propios medicamentos terapéuticos. "Esa es una dirección futura importante para mi laboratorio, "Dijo Xiao." Queremos que las células detecten enfermedades, hacer mejores medicamentos y distribuirlos en tiempo real. No creemos que eso esté demasiado lejos ".

Los coautores del artículo son los becarios postdoctorales de Rice, Juan Tang, Lushun Wang y Zeru Tian, el estudiante de pregrado Adam Cárdenas y el académico invitado Xinlei Fang, y Abhishek Chatterjee, profesor asistente de química en Boston College. Xiao es el joven investigador Norman Hackerman-Welch y profesor asistente de química.