I biologi sintetici che lavorano su un progetto dell'esercito degli Stati Uniti hanno sviluppato una serie di regole di progettazione che guidano il modo in cui i ribosomi, una struttura cellulare che produce proteine, potrebbe portare a una nuova classe di polimeri sintetici che potrebbero creare nuovi materiali e terapie ad alte prestazioni per i soldati. Credito:per gentile concessione della Northwestern University
I biologi sintetici che lavorano su un progetto dell'esercito degli Stati Uniti hanno sviluppato un processo che potrebbe portare a una nuova classe di polimeri sintetici che potrebbero creare nuovi materiali e terapie ad alte prestazioni per i soldati.
Comunicazioni sulla natura ricerca pubblicata condotta da ricercatori finanziati dall'esercito presso la Northwestern University, che ha sviluppato una serie di regole di progettazione per guidare come i ribosomi, una struttura cellulare che produce proteine, possono incorporare nuovi tipi di monomeri, che possono essere legati con molecole identiche per formare polimeri.
"Questi risultati sono un entusiasmante passo avanti verso il raggiungimento di polimeri sintetici definiti in sequenza, che è stata una grande sfida nel campo della chimica dei polimeri, " ha detto la dottoressa Dawanne Poree, responsabile del programma, chimica dei polimeri presso l'Ufficio Ricerche dell'Esercito. "La capacità di sfruttare e adattare i macchinari cellulari per produrre polimeri non biologici sarebbe, in sostanza, portare i materiali sintetici nel regno delle funzioni biologiche. Questo potrebbe rendere avanzato, materiali ad alte prestazioni come la nanoelettronica, materiali di autoguarigione, e altri materiali di interesse per l'esercito."
Polimeri biologici come DNA, dispongono di precise sequenze di elementi costitutivi che forniscono una varietà di funzioni avanzate come l'archiviazione delle informazioni e l'auto-replica. Questo progetto ha esaminato come riprogettare il macchinario biologico per consentirgli di funzionare con elementi costitutivi non biologici che offrissero un percorso per creare polimeri sintetici con la precisione della biologia.
"Questi nuovi polimeri sintetici possono consentire lo sviluppo di dispositivi di protezione individuale avanzati, elettronica sofisticata, celle a combustibile, celle solari avanzate e nanofabbricazione, che sono tutti fondamentali per la protezione e le prestazioni dei soldati, " ha detto Pori.
"Abbiamo deciso di espandere la gamma di monomeri ribosomiali per la sintesi proteica per consentire nuove direzioni nella bioproduzione, " ha detto Michael Jewett, il Charles Deering McCormick Professore di Eccellenza Didattica, professore di ingegneria chimica e biologica, e direttore del Center for Synthetic Biology presso la McCormick School of Engineering della Northwestern. "La cosa eccitante è che abbiamo appreso che il ribosoma può ospitare più tipi di monomeri di quanto ci aspettassimo, che pone le basi per l'utilizzo del ribosoma come macchina generale per creare classi di materiali e medicinali che non sono stati sintetizzati prima".
La produzione di proteine ricombinanti da parte del ribosoma ha trasformato la vita di milioni di persone attraverso la sintesi di biofarmaci, come l'insulina, ed enzimi industriali che vengono utilizzati nei detersivi per bucato. In natura, però, il ribosoma incorpora solo monomeri di amminoacidi naturali nei polimeri proteici.
Per ampliare il repertorio di monomeri utilizzati dal ribosoma, Il team di Jewett ha deciso di identificare le regole di progettazione per collegare i monomeri all'acido ribonucleico di trasferimento, noti come tRNA. Questo perché far usare al ribosoma un nuovo monomero non è così semplice come introdurre un nuovo monomero nel ribosoma. I monomeri devono essere attaccati ai tRNA, quali sono le molecole che li trasportano nel ribosoma. Molti processi attuali per attaccare i monomeri ai tRNA sono difficili e richiedono tempo, ma un processo relativamente nuovo chiamato flexizyme consente un fissaggio più facile e flessibile dei monomeri.
Per sviluppare le regole di progettazione per l'utilizzo di flexizyme, i ricercatori hanno creato 37 monomeri che erano nuovi per il ribosoma da un repertorio diversificato di scaffold. Quindi, hanno dimostrato che i monomeri che potrebbero essere attaccati ai tRNA potrebbero essere usati per creare decine di nuovi ibridi peptidici. Finalmente, hanno convalidato le loro regole di progettazione guidando in modo prevedibile la ricerca di ancora più nuovi monomeri.
"Con le nuove regole di progettazione, mostriamo che possiamo evitare gli approcci per tentativi ed errori che sono stati storicamente associati allo sviluppo di nuovi monomeri per l'uso da parte del ribosoma, " ha detto Jewett.
Queste nuove regole di progettazione dovrebbero accelerare il ritmo con cui i ricercatori possono incorporare nuovi monomeri, che alla fine porterà a nuovi bioprodotti sintetizzati dal ribosoma. Per esempio, i materiali costituiti da monomeri resistenti alla proteasi potrebbero portare a farmaci antimicrobici che combattono l'aumento della resistenza agli antibiotici.
La ricerca fa parte del programma Multidisciplinary University Research Initiatives del Dipartimento della Difesa, supportato da ARO, in cui Jewett sta lavorando con ricercatori di altre tre università per riprogettare il ribosoma come catalizzatore biologico per produrre nuovi polimeri chimici. ARO è un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti.
"È incredibile che il ribosoma possa ospitare l'ampiezza dei monomeri che abbiamo mostrato, " ha detto Jewett. "Questo è davvero incoraggiante per i futuri sforzi per riutilizzare i ribosomi".