מהנדסים ביו -רפואיים באוניברסיטת דיוק הדגימו גישה סינתטית חדשה שמטורבו חיידקים לייצור יותר חלבון ספציפי, אפילו חלבונים שבדרך כלל יהרסו אותם, כמו אנטיביוטיקה.
הטכניקה מכוונת חיידקים לייצור חלבונים המופרעים הסינתטיים המתארים יחד ליצירת תאים הנקראים עיבויים ביולוגיים. כאשר תאים אלה לוכדים mRNA הנושאים הוראות לחלבונים ספציפיים יחד עם המכונות הדרושות ליישוםן, הם יכולים לשפר מאוד את קצב ייצור החלבון.
הטכניקה יכולה להיות יתרון לתעשיות המשתמשות בחיידקים כדי לייצר מגוון רחב של מוצרים כמו תרופות, כימיקלים תעשייתיים ודלקים ביולוגיים.
התוצאות הופיעו באופן מקוון ב -10 בפברואר בכתב העת כימיה טבעית.
עיבויים ביולוגיים הם כלים שימושיים שכבר נמצאים בשפע באופיים. כל התאים משתמשים במעבדים כדי ללכוד יחד או להפריד בין מכונות ביו -מולקולריות כדי לחייג את פעילותו למעלה ולמטה. מאז התגלתה התופעה בשנת 2009, השימושים והתפקידים שלהם היו נושא למחקר נמרץ.
עיבויים מועילים לתאים לשלוט באופן זמני בביטוי גנים בתגובה לתנאים או אתגרים חדשים מכיוון שבשליטה במהירות על ביטוי גנים ברמת ייצור החלבון, ולא ברמת ה- DNA, הם יכולים לבצע שינויים בהם חלבונים מיוצרים בדקות במקום שעות או אפילו ימים. אך מעיבות המתרחשות באופן טבעי מסובכות וקשות להנדסה. המעבדה שלנו היא אחת מהתאים המכוונים הבודדים לייצר גרסאות סינתטיות שניתן להתאים באופן ספציפי כך שיתאימו למטרות שלנו. "
דניאל שפירו, סטודנט לדוקטור
מעבדת צ'ילקוטי מתמחה בפוליפפטידים דמויי אלסטין, או ELPS בקיצור. חלבונים ארוכים ומופרעים אלה הם כמו כדורי אטריות שניתן להתאים אותם להתאמה יחד או להתמוסד זה מזה על פי מגוון רחב של משתנים כמו טמפרטורה או חומציות.
בשנת 2023, המעבדה הייתה הראשונה שהראתה כי ניתן לתכנת חיידקים לייצור חלבונים המופרעים הסינתטיים הללו ולגרום להם ליצור עיבויים המשפיעים על מכונות ביולוגיות.
צ'ילקוטי אמר כי "עבודה זו הראתה שאנחנו, כמהנדסים ביו -רפואיים, יכולים לתכנן חלקים מולקולריים חדשים מהיסוד, לשכנע תאים להפוך אותם ולהרכיב את החלקים האלה בתא להכין מכונה חדשה. "זו הייתה ההתחלה של תחום מתעורר שמאפשר כעת לתכנת חיים מחדש בדרכים חדשות ומרגשות."
מחקר זה, בין תוצאות אחרות, הראה כי עיבויים ביולוגיים סינתטיים יכולים ללכוד יחד מכונות ביומולקולריות כדי להאיץ את עבודתם. אך היא לא ביקשה להורות באופן ספציפי לתא אשר תהליכים להאיץ או אילו חלבונים לייצר.
היצירה החדשה הזו בונה על הבסיס הזה כדי לעשות בדיוק את זה. החוקרים הנחו תאי חיידקים לייצר ELPs היוצרים עיבוי וגם נקשרים לרצפי RNA ספציפיים, המעתיקים ונושאים את ההדפסים לבניית חלבונים מ- DNA לשאר התא. על ידי ציור רצפי ה- RNA הללו יחד לעיבון צפוף, החוקרים מאמינים שזה הפך אותם לזמינים יותר עבור מכונות לייצור החלבונים של התא כדי למצוא אותם ולהשתמש בהם.
"במקום להסתיר את ה- RNA ממכונות התא, נראה שזה מפגיש את הכל לריכוז גבוה יותר למעין כור היתוך תגובה שמגדיל את קצב ייצור החלבון", אמר שפירו. "אתה יכול לעשות תא אקספרס יותר RNA ולעשות יותר מהחלבון שלו, אבל ברגע שנוצר ה- RNA, יש מעט מאוד דרכים לשפר את הקצב בו מתורגמים ממנו חלבונים. זה מה שעשינו כאן, וזה מאוד מרגש מאוד "
להתקדם, החוקרים ממשיכים לבנות את הפלטפורמה שלהם. לדוגמה, ניסויים מצביעים על כך שאם עיבויים אלה נועדו להיות צמיגים יותר, הם מייצרים פחות חלבונים. השפעות כמו זה נותנות לידיות הצוות לשימוש כדי לשלוט בקצב הייצור. שפירו פועלת גם לראות כיצד מבנה ה- mRNA הממוקד משפיע על קצב הייצור שלו.
המחקר יכול להועיל לפחות בשתי סוגים גדולים של תעשיה. טיפולים ביולוגיים רבים, כמו נוגדנים, חיסונים וחלבונים חיסוניים, מיוצרים בתאי יונקים מכיוון שהם דורשים מכונות כימיות שאינן קיימות בחיידקים. על ידי שימוש בעיבויים סינתטיים אלה, שפירו רואה מסלול ללכוד יחד את החלקים הנדרשים של הפאזל כדי לעזור לחיידקים ליצור ביעילות את הטיפול הרפואי הזה. האפשרות הנוספת היא שימוש במעבדים כדי לרצף את החלבונים המיוצרים כך שהם לא יוכלו לפגוע בחיידק המארח, שהוא מחסום שכיח בייצור יעיל של אנטיביוטיקה וחלבונים אנטי -מיקרוביאלים אחרים.
מחקר זה נתמך על ידי משרד חיל האוויר למחקר מדעי (FA9550-20-1-0241) והמכון הלאומי לבריאות (MIRA R35GM127042).
