Gli ingegneri creano batteri in grado di sintetizzare un amminoacido innaturale

Di University of Delaware19 luglio 2023

Gli scienziati hanno ingegnerizzato i batteri per produrre pN-Phe, un amminoacido non standard con potenziali applicazioni mediche. Il lavoro futuro ottimizzerà questo processo ed esplorerà il suo potenziale nei vaccini e nelle immunoterapie.

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"}]"> aminoacidi. Tuttavia, la natura offre una varietà impressionante di oltre 500 aminoacidi distinti. Inoltre, una miriade di amminoacidi sintetici è stata creata dall’ingegno umano. Questi amminoacidi alternativi sono promettenti nello sviluppo di prodotti farmaceutici e trattamenti terapeutici innovativi.

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"}]"> acido che contiene un raro gruppo funzionale che altri hanno dimostrato avere implicazioni nella regolazione del nostro sistema immunitario. I ricercatori hanno anche insegnato a un singolo ceppo batterico a creare l’amminoacido e a posizionarlo in siti specifici all’interno delle proteine ​​bersaglio. Questi risultati, pubblicati su Nature Chemical Biology, forniscono una base per lo sviluppo futuro di vaccini e immunoterapie unici.

Il Kunjapur Lab utilizza strumenti della biologia sintetica e dell’ingegneria genetica per creare microrganismi in grado di sintetizzare diversi tipi di composti e molecole, in particolare quelli con gruppi funzionali o proprietà che non sono ben rappresentati in natura.

In questo studio, i ricercatori si sono concentrati sulla para-nitro-L-fenilalanina (pN-Phe), un amminoacido non standard che non è né uno dei venti amminoacidi standard né è stato osservato in natura. Altri gruppi di ricerca hanno utilizzato pN-Phe come strumento per stimolare il sistema immunitario a reagire alle proteine ​​che normalmente ignora.

"Il gruppo funzionale nitrochimico ha proprietà preziose ed è stato poco esplorato dalle persone che stanno cercando di ricablare il metabolismo", ha detto Kunjapur. “La pN-Phe ha anche una bella storia in letteratura: può essere aggiunta a una proteina di un topo, restituita ai topi e il sistema immunitario non tollererà più la versione originale di quella proteina. Questa capacità è promettente per il trattamento o la prevenzione di malattie causate da proteine ​​canaglia su cui il sistema immunitario fatica ad agganciarsi”.

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. By coupling metabolic engineering techniques with genetic code expansion, the researchers were able to create a system that produces nitrated proteins autonomously./p>

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"}]"National Institutes of Health Director’s New Innovator Award. To further support this long-term goal, Kunjapur and Neil Butler, doctoral candidate and first author on this paper, co-founded Nitro Biosciences./p>