Un nascente campo di ricerca, biologia artificiale, sta lavorando per creare un organismo veramente nuovo. A Princeton, Il professore di chimica Michael Hecht e i ricercatori del suo laboratorio stanno progettando e costruendo proteine ​​in grado di ripiegare e imitare i processi chimici che sostengono la vita. Le loro proteine ​​artificiali, codificato da geni sintetici, sono lunghi circa 100 amminoacidi, utilizzando una disposizione infinitamente variabile di 20 amminoacidi.

Ora, Hecht e i suoi colleghi hanno confermato che almeno una delle loro nuove proteine ​​può catalizzare reazioni biologiche, il che significa che una proteina progettata interamente da zero funziona nelle cellule come un vero enzima.

Gli enzimi sono fondamentali per tutta la biologia, Ha detto Hecht. "La biologia è il sistema di reazioni biochimiche e catalizzatori. Ogni passaggio ha un enzima che lo catalizza, perché altrimenti quelle reazioni non sarebbero abbastanza veloci da far esistere la vita. ... Un enzima è una proteina che funge da catalizzatore. Sono i migliori catalizzatori dell'universo perché l'evoluzione ha impiegato miliardi di anni a selezionarli. Gli enzimi possono aumentare la velocità di una reazione di molti ordini di grandezza".

Una volta che Hecht e il suo gruppo di ricerca hanno creato con successo proteine ​​artificiali per E. coli, hanno iniziato a cercare funzioni critiche che potevano interrompere in questi semplici batteri. Hanno trovato quattro geni che, quando rimosso, non solo renderebbe l'E. coli inerte - effettivamente morto - ma che le loro proteine ​​artificiali potrebbero poi "salvare, "o resuscitare.

Hanno identificato per la prima volta queste proteine ​​artificiali nel 2011, e hanno trascorso gli ultimi sei anni a lavorare per capire i meccanismi precisi con cui funzionavano le loro nuove proteine, ora dettagliato in un documento del 15 gennaio in Natura chimica biologia .

È importante non presumere che una proteina artificiale funzionerà allo stesso modo di quella naturale la cui eliminazione sta salvando, Hecht ammonito.

La determinazione dei meccanismi utilizzati dalle loro proteine ​​artificiali ha richiesto innumerevoli esperimenti. "Abbiamo avuto quattro diverse delezioni geniche:quattro diverse funzioni enzimatiche, " ha detto Ann Donnelly, autore principale della carta.

Dopo anni di esperimenti, il team aveva concluso che due di questi "salvataggi" operano sostituendo enzimi, proteine ​​che servono a catalizzare altre reazioni, aiutandoli a operare abbastanza rapidamente da sostenere la vita, con proteine ​​che non erano enzimi stessi, ma che stimolano la produzione di altri processi nella cellula, lei disse. Il terzo stava mostrando progressi, ma il quarto aveva frustrato diversi ricercatori che erano passati dal laboratorio di Hecht.

Ma poi Donnelly, che era una studentessa laureata quando ha svolto la ricerca ed è ora specialista di ricerca in bioinformatica presso l'Università di Pittsburgh, decifrato il codice.

"Questa proteina artificiale, Syn-F4, era in realtà un enzima, "Donlly ha detto. "Quello è stato un momento incredibile e incredibile per me, incredibile al punto che non ho voluto dire nulla fino a quando non l'ho ripetuto più volte".

Ha solo detto a Katie Digianantonio, un compagno di studi, e Grant Murphy, un ricercatore post-dottorato, che sono coautori del nuovo articolo. "Ho detto, "Penso che questo sia un enzima." Ho mostrato loro i dati iniziali e ho detto, «Non dire niente a Michael. Lascia che lo faccia di nuovo." Donnelly ha ripurificato la proteina, e ha creato un nuovo, substrato perfettamente puro per E. coli. "Ho eseguito di nuovo tutto da diverse preparazioni e quando il risultato ha retto, Ho detto a Michael, " lei disse.

Dall'insieme originale di proteine ​​che potrebbero salvare le delezioni geniche, questo è l'unico che si è rivelato essere un enzima, almeno finora, lei disse.

"Abbiamo una proteina completamente nuova che è in grado di sostenere la vita essendo in realtà un enzima, e questo è semplicemente pazzesco, "Ha detto Hecht.

Ciò ha implicazioni significative per l'industria, disse Justin Siegel, direttore di facoltà dell'Innovation Institute for Food and Health e assistente professore di chimica, biochimica e medicina molecolare presso l'UC Davis Genome Center, che non è stato coinvolto nella ricerca.

"La biotecnologia utilizza comunemente enzimi per realizzare processi industriali per la produzione di materiali, cibo, carburante e medicine, " Ha detto Siegel. "L'uso di questi enzimi in un ambiente industriale spesso inizia con un enzima che la natura ha evoluto per miliardi di anni per uno scopo non correlato, e quindi la proteina viene ottimizzata per affinare la sua funzione per l'applicazione moderna. Il rapporto qui dimostra che non siamo più limitati alle proteine ​​prodotte dalla natura, e che possiamo sviluppare proteine, che normalmente avrebbero richiesto miliardi di anni per evolversi, nel giro di pochi mesi".

Il team di Hecht aveva creato un ceppo di E. coli a cui mancava l'enzima Fes, senza la quale non può accedere al ferro necessario per sostenere la vita. "Abbiamo tutti bisogno di ferro, " disse Hecht. "Anche se il ferro è abbondante sulla terra, il ferro biologicamente accessibile non lo è." Le cellule hanno sviluppato molecole come l'enterobactina, Lui ha spiegato, che può recuperare il ferro da qualsiasi fonte disponibile, ma poi hanno bisogno di uno strumento, come Fes, per strappare il ferro dalla stretta presa dell'enterobactina.

Questo ceppo di E. coli modificato non aveva modo di estrarre, o idrolizzare, il ferro dalla sua enterobactina, fino a quando non è stato "salvato" da Syn-F4. I ricercatori avevano fornito ferro all'E. coli, ma ha solo colorato di rosso le cellule, poiché sebbene potessero accumulare il metallo legato, non potevano liberarlo dall'enterobactina o accedervi per uso cellulare.

"E poi Ann ha notato ... non sono più rossi, sono bianchi, il che suggerisce che le cellule possono scomporre questo e ottenere il ferro, il che suggerisce che abbiamo effettivamente un enzima!" ha detto Hecht.

"Milioni di anni di evoluzione hanno portato a Fes, un ottimo enzima per idrolizzare l'enterobactina, "ha detto Wayne Patrick, un docente senior di biochimica presso l'Università di Otago in Nuova Zelanda, che non è stato coinvolto nella ricerca. "È abbastanza facile studiare la struttura, funzione e meccanismo di Fes, e per inferire qualcosa sulla sua evoluzione confrontandola con sequenze correlate. Ma è molto più difficile (e più interessante) chiedersi se Fes sia la soluzione al problema biochimico dell'idrolizzazione dell'enterobactina o se sia una delle tante soluzioni. Donnelly et al. hanno dimostrato che un enzima che non è mai nato (se non artificialmente, nel loro laboratorio) tuttavia avrebbe potuto essere una soluzione altrettanto buona (se ne fosse stata data l'opportunità).

"Questa linea di ragionamento ha diverse implicazioni, " ha spiegato Patrick. "Uno è per la vita che resta da scoprire sulla Terra. Forse un giorno, troveremo un enzima naturale che assomiglia a Syn-F4 ma prende il posto di Fes in qualche microrganismo o altro. almeno ora, sapremo guardare. Un'altra implicazione è per l'astrobiologia. Se ci sono molte soluzioni ugualmente probabili a un problema biochimico, diventa più probabile che una soluzione sia stata trovata altrove nell'universo."

I ricercatori sono all'apice di una vera biologia sintetica, Ha detto Hecht.

"E. coli ne ha 4, 000 geni diversi, " ha detto. "Non li abbiamo testati tutti e 4, 000, perché l'unico modo in cui questo esperimento funziona è che se nulla cresce su un supporto minimo, e del 4, 000, questo è vero solo per alcuni.

"Stiamo iniziando a codificare per un genoma artificiale. Abbiamo salvato lo 0,1 percento del genoma di E. coli. ... Per ora, è uno strano E. coli con alcuni geni artificiali che gli permettono di crescere. Supponi di sostituire il 10 percento o il 20 percento. Allora non è solo uno strano E. coli con alcuni geni artificiali, allora devi dire che è un organismo nuovo."