Negli ultimi anni, gli scienziati hanno ingegnerizzato batteri con codici genetici espansi che producono proteine ​​costituite da una gamma più ampia di elementi costitutivi molecolari, aprendo un fronte promettente nell'ingegneria delle proteine.

Ora, Gli scienziati di Scripps Research hanno dimostrato che tali batteri sintetici possono evolvere proteine ​​in laboratorio con proprietà potenziate utilizzando meccanismi che potrebbero non essere possibili con i 20 blocchi di aminoacidi naturali.

Esporre batteri con un codice genetico espanso artificialmente a temperature alle quali normalmente non possono crescere, i ricercatori hanno scoperto che alcuni batteri hanno sviluppato nuove proteine ​​resistenti al calore che rimangono stabili a temperature in cui normalmente si inattiverebbero. I ricercatori hanno riportato i loro risultati nel Giornale della Società Chimica Americana ( JACS ).

Praticamente ogni organismo sulla terra utilizza gli stessi 20 amminoacidi come mattoni per produrre le proteine, le grandi molecole che svolgono la maggior parte delle funzioni cellulari. Peter Schultz, dottorato di ricerca, l'autore anziano del JACS carta e presidente e CEO di Scripps Research, ha aperto la strada a un metodo per riprogrammare il macchinario biosintetico proteico della cellula per aggiungere nuovi amminoacidi alle proteine, chiamati aminoacidi non canonici (ncAA), con strutture chimiche e proprietà non riscontrabili nei comuni 20 amminoacidi.

Questo codice genetico espanso è stato utilizzato in passato per progettare razionalmente proteine ​​con nuove proprietà da utilizzare come strumenti per studiare come funzionano le proteine ​​nelle cellule e come nuovi farmaci di precisione per il cancro. I ricercatori ora hanno chiesto se i batteri sintetici con codici genetici espansi hanno un vantaggio evolutivo rispetto a quelli che sono limitati a 20 blocchi costitutivi:un codice di 21 amminoacidi è migliore di un codice di 20 amminoacidi dal punto di vista dell'idoneità evolutiva?

"Da quando abbiamo ampliato per la prima volta la gamma di amminoacidi che possono essere incorporati nelle proteine, molto lavoro è stato fatto per utilizzare questi sistemi per ingegnerizzare molecole con proprietà nuove o migliorate, " dice Schultz. "Ecco, abbiamo dimostrato che combinando un codice genetico espanso con un'evoluzione di laboratorio si possono creare proteine ​​con proprietà potenziate che potrebbero non essere facilmente ottenibili con l'insieme più limitato della natura".

Gli scienziati hanno iniziato modificando il genoma di E. coli in modo che i batteri potessero produrre la proteina omoserina o-succiniltransferasi (metA) utilizzando un codice di 21 aminoacidi invece del comune codice di 20 aminoacidi. Un importante enzima metabolico, metA detta la temperatura massima alla quale E. coli può prosperare. Al di sopra di quella temperatura, metA inizia a inattivarsi e i batteri muoiono. I ricercatori hanno quindi creato mutanti di metA, in cui quasi ogni amminoacido nella proteina naturale potrebbe essere sostituito con un 21° amminoacido non canonico.

A questo punto, lasciano che la selezione naturale, il meccanismo centrale dell'evoluzione, faccia la sua magia. Riscaldando i batteri a 44 gradi Celsius, una temperatura alla quale la normale proteina metA non può funzionare, e di conseguenza, i batteri non possono crescere:gli scienziati esercitano una pressione selettiva sulla popolazione batterica. Come previsto, alcuni dei batteri mutanti sono stati in grado di sopravvivere oltre la loro tipica temperatura massima, grazie al possesso di un metan mutante che era più stabile al calore, tutti gli altri batteri sono morti.

In questo modo, i ricercatori sono stati in grado di guidare i batteri ad evolvere un enzima mutante metA in grado di resistere a temperature di 21 gradi superiori al normale, quasi il doppio dell'aumento della stabilità termica che le persone in genere ottengono quando sono limitate a mutazioni limitate ai comuni blocchi di costruzione di 20 amminoacidi.

I ricercatori hanno quindi identificato lo specifico cambiamento della sequenza genetica che ha portato al mutante metA e hanno scoperto che era dovuto alle proprietà chimiche uniche di uno dei loro amminoacidi non canonici che l'evoluzione del laboratorio ha sfruttato in modo intelligente per stabilizzare la proteina.

"È sorprendente come realizzare una mutazione così piccola con un nuovo amminoacido non presente in natura porti a un miglioramento così significativo delle proprietà fisiche della proteina, "dice Schultz.

"Questo esperimento solleva la questione se un codice di 20 aminoacidi sia il codice genetico ottimale:se scopriamo forme di vita con codici espansi avranno un vantaggio evolutivo, e come saremmo se Dio avesse lavorato il settimo giorno e avesse aggiunto qualche altro amminoacidi al codice?"