Le cellule sono incredibilmente abili nel creare molecole complesse, come terapeutici, e può fare molto meglio di molte delle nostre migliori fabbriche.

I biologi sintetici cercano di riprogettare le cellule per produrre queste molecole per esigenze specifiche, compresi i prodotti farmaceutici e le applicazioni energetiche. Ma il processo per tentativi ed errori è difficile e richiede tempo, e spesso compete con gli altri obiettivi e processi della cellula, come la crescita e la sopravvivenza.

Un nuovo metodo sviluppato presso la Northwestern University combina due approcci di ricerca all'avanguardia per creare un veloce, modo efficiente per progettare e analizzare le vie metaboliche.

Gli approcci - sintesi proteica senza cellule e spettrometria di massa a ionizzazione con desorbimento monostrato autoassemblato (SAMDI) - si combinano per creare un nuovo strumento per aiutare gli ingegneri a comprendere meglio i percorsi per creare molecole.

"Con questi due metodi, possiamo costruire migliaia di potenziali miscele e testarle tutte in un solo giorno, un processo molto più veloce che darà nuove intuizioni e regole di progettazione per i biologi sintetici, " ha detto Milan Mrksich, l'Henry Wade Rogers Professore di Ingegneria Biomedica, Chimica, e Biologia cellulare e molecolare presso la McCormick School of Engineering della Northwestern. È anche il co-direttore del Centro di biologia sintetica della Northwestern.

I risultati sono stati pubblicati il ​​5 giugno sulla rivista Progressi scientifici . Michael Jewett, il Charles Deering McCormick Professore di Eccellenza Didattica, professore di ingegneria chimica e biologica, e condirettore del Centro di Biologia Sintetica, è un co-autore corrispondente della ricerca.

Creazione di enzimi attraverso la sintesi senza cellule

Le cellule sviluppano molecole complesse attraverso enzimi, la proteina che viene utilizzata per convertire una molecola in un'altra. Attraverso una serie di queste conversioni, un metabolita diventa una molecola complessa, uno che spesso è associato a benefici per la società.

Affinché gli ingegneri possano imitare questo processo, hanno bisogno di identificare quali enzimi sono necessari per dare loro la molecola desiderata. Una volta compreso quel percorso metabolico, possono ingegnerizzare una cellula, spesso una cellula batterica, per produrre gli enzimi per creare la molecola bersaglio. Per esempio, Il coenzima A (CoA) è una molecola centrale nel metabolismo, e i biologi sintetici hanno usato i suoi percorsi dipendenti per progettare farmaci antimalarici, Lievito di birra, e biocarburanti avanzati.

Ma trovare questi percorsi è un processo per tentativi ed errori che può richiedere giorni di sforzi sia per progettare che per testare il risultato. Per superare questo, Il laboratorio di Jewett ha sviluppato un processo di sintesi proteica senza cellule che crea solo gli enzimi necessari per creare le molecole del prodotto bersaglio, ma senza dover utilizzare l'intera cella stessa. Qui, il laboratorio ha creato enzimi, che consente loro di mescolare e abbinare potenziali enzimi nei tubi di reazione senza che i loro obiettivi finali competano con gli altri obiettivi di una cellula, come mantenere il suo metabolismo.

"La sintesi proteica senza cellule è davvero una tecnologia entusiasmante, " Jewett ha detto. "L'approccio basato su cocktail per la costruzione di funzioni biosintetiche utilizzando sistemi privi di cellule che descriviamo qui sta ottenendo una libertà di progettazione senza precedenti per espandere le capacità dei biocatalizzatori naturali".

Analizzare rapidamente con SAMDI

Una volta create queste soluzioni, testare il loro successo richiede almeno mezz'ora per campione. Perché ci sono così tante soluzioni possibili, quel processo manuale non è abbastanza efficiente per cercare i risultati ottimali.

È qui che entra in gioco la spettrometria di massa SAMDI di Mrksich. La tecnologia misura le reazioni biochimiche in modo estremamente rapido ed economico. "Possiamo facilmente testare 10, 000 miscele di reazione in un solo giorno per determinare quali molecole sono state sintetizzate e quanto di ciascuna è presente nelle miscele di reazione, " ha detto Mrksich.

Inoltre, il metodo permette loro di osservare tutte le molecole presenti nella reazione, il che significa che possono trovare molecole che non stavano necessariamente cercando in primo luogo. "È piuttosto eccitante, " ha detto Mrksich. "È un potente strumento scientifico che ci insegna come queste reazioni sono bilanciate e si scambiano a vicenda nella cellula".

Creare fabbriche con le celle

Per dimostrare questo metodo, i ricercatori hanno sintetizzato l'idrossimetilglutaril-CoA (HMG-CoA), un metabolita comune utilizzato nella sintesi di molte molecole complesse, compresa una classe di importanti molecole note come isoprenoidi (inclusi steroidi e farmaci antitumorali), e mappato più di 800 condizioni di reazione uniche.

"Oggi, un tipico progetto di biologia sintetica potrebbe esplorare dozzine di varianti di un percorso, " Jewett ha detto. "Con il nostro metodo, mostriamo che è possibile testare da centinaia a migliaia di variazioni di percorso. Questo è importante perché consentirà nuovi tipi di progettazione basata sui dati per facilitare l'ottimizzazione dei percorsi".

Poiché il metodo SAMDI crea così tanti punti dati per ogni test, i ricercatori sperano di impiegare più metodi di apprendimento automatico e intelligenza artificiale in futuro per aiutarli ad analizzare e dare un senso a tutti i dati.

L'obiettivo finale è avere una comprensione sufficiente per sfruttare la potenza di una cellula per creare prodotti farmaceutici di nuova generazione e prodotti chimici sostenibili per l'energia. Proprio come i rapidi aumenti delle prestazioni dei dispositivi computazionali, descritti dalla legge di Moore, hanno avuto un profondo impatto sull'intera industria dei computer e dell'elettronica di consumo, "questo approccio rappresenta il prossimo passo dell'ingegneria che avrà un impatto analogo sulla biologia sintetica per tutte le sue applicazioni, " ha detto Jewett.

"Immagina di sostituire intere fabbriche con un barile di batteri, " ha detto Mrksich. "Queste cellule batteriche possono essere ingegnerizzate per produrre le nostre molecole bersaglio, senza le alte temperature e i solventi e i prodotti chimici non sicuri che sono normalmente richiesti.. È un percorso interessante per la produzione di prodotti chimici, e con questo nuovo processo, abbiamo notevolmente migliorato l'efficienza con cui i percorsi possono essere scoperti e ottimizzati."