ברפואה ובביוטכנולוגיה, היכולת להתפתח חלבונים עם פונקציות חדשות או משופרות היא מכריעה, אך לרוב השיטות הנוכחיות הן איטיות ועמלניות. כעת, מדעני המחקר של סקריפס פיתחו פלטפורמת ביולוגיה סינתטית המאיצה את החוקרים המאפשרים את האבולוציה עצמה לפתח חלבונים עם תכונות חדשות וחדשות אלפי פעמים מהר יותר מהטבע. המערכת, בשם T7-oracle, תוארה ב מַדָע ב- 7 באוגוסט 2025, ומייצג פריצת דרך כיצד החוקרים יכולים להנדס חלבונים טיפוליים לסרטן, התנוונות עצבית ובעצם כל תחום מחלה אחר.
זה כמו לתת לאבולוציה כפתור קדימה מהיר. כעת תוכל לפתח חלבונים ברציפות ומדויק בתוך תאים מבלי לפגוע בגנום של התא או לדרוש צעדים עתירי עבודה. "
פיט שולץ, סופר סניור משותף, נשיא ומנכ"ל מחקר סקריפס, שם הוא גם מחזיק בכיסא הנשיאות של SKAGGS "SAM" SKAGGS
התפתחות מכוונת היא תהליך מעבדה הכולל הצגת מוטציות ובחירת גרסאות עם פונקציה משופרת על פני מחזורים מרובים. הוא משמש להתאמת חלבונים עם תכונות רצויות, כמו נוגדנים סלקטיביים מאוד, בעלי זיקה גבוהה, אנזימים עם ספציפיות חדשות או תכונות קטליטיות, או לחקירת הופעת מוטציות ההתנגדות ביעדי התרופות. עם זאת, לעתים קרובות שיטות מסורתיות דורשות סיבובים חוזרים ונשנים של מניפולציה ובדיקה של DNA כאשר כל סיבוב לוקח שבוע או יותר. מערכות לאבולוציה מתמשכת-שם חלבונים מתפתחים בתוך תאים חיים ללא התערבות ידנית-אניה לייעל תהליך זה על ידי מאפשרת מוטציה ובחירה בו זמנית עם כל סיבוב של חלוקת תאים (בערך 20 דקות לחיידקים). אולם גישות קיימות הוגבלו על ידי מורכבות טכנית או שיעורי מוטציה צנועים.
T7-Oracle עוקף את צווארי הבקבוק הללו על ידי הנדסה א. קולי חיידקים-אורגניזם מודל סטנדרטי בביולוגיה מולקולרית כדי לארח מערכת שכפול DNA מלאכותית שנייה הנגזרת מ- Bacteriophage T7, נגיף המדביק חיידקים ונחקר באופן נרחב עבור מערכת השכפול הפשוטה והיעילה שלו. T7-Oracle מאפשר היפרמוטציה מתמשכת והתפתחות מואצת של ביומקרומולקולות, והיא נועדה להיות חלה באופן נרחב על יעדי חלבון רבים ואתגרים ביולוגיים. מבחינה רעיונית, T7-Oracle בונה ומרחיב את המאמצים על מערכות שכפול אורתוגונליות קיימות-המשמעותן הן פועלות בנפרד מהמכונות של התא עצמו כאורתורפ ב Saccharomyces cerevisiae (שמרים של בייקר) ואקוורפ ב א. קוליו בהשוואה למערכות אלה, T7-Oracle מרוויח מהשילוב של מוטגנזה גבוהה, צמיחה מהירה, יעילות טרנספורמציה גבוהה והקלות בה שניהם א. קולי ניתן לשלב את המארח ואת פלסמיד העתק המעגלי בזרימות עבודה ביולוגיות מולקולריות סטנדרטיות.
המערכת T-7 Oracle Orthogonal מכוונת רק ל- DNA פלסמיד (חתיכות קטנות ומעגליות של חומר גנטי), ומותירה את הגנום המארח של התא ללא מגע. על ידי הנדסה T7 פולימראז DNA (אנזים נגיפי המשכפל DNA) להיות מועיל לשגיאות, החוקרים הציגו מוטציות לגנים יעד בקצב גבוה פי 100,000 מהרגיל מבלי לפגוע בתאים המארחים.
"מערכת זו מייצגת התקדמות משמעותית בהתפתחות מתמשכת", אומר הסופר המשותף של סניור כריסטיאן דיירקס, עוזר פרופסור לכימיה במחקר סקריפס. "במקום סיבוב אבולוציה אחד בשבוע, אתה מקבל סיבוב בכל פעם שהתא מתחלק-זה באמת מאיץ את התהליך."
כדי להדגים את כוחו של T7-oracle, צוות המחקר הכניס גן עמידות לאנטיביוטיקה נפוצה, TEM-1 β-lactamase, למערכת וחשף את א. קולי תאים להסלמה של מינונים של אנטיביוטיקה שונים. תוך פחות משבוע, המערכת התפתחה גרסאות של האנזים שיכולות לעמוד בפני רמות אנטיביוטיקה גבוהות פי 5,000 מהמקור. הוכחת קונספט זו הדגימה לא רק את המהירות והדיוק של T7-Oracle, אלא גם את הרלוונטיות בעולם האמיתי שלה על ידי שכפול התפתחות ההתנגדות בתגובה לאנטיביוטיקה.
"החלק המפתיע היה עד כמה המוטציות שראינו תואמות מוטציות התנגדות בעולם האמיתי שנמצאו במסגרות קליניות", מציין דיארקס. "בחלק מהמקרים ראינו שילובים חדשים שעבדו אפילו יותר טוב מאלו שהייתם רואים במרפאה."
אולם Diercks מדגיש כי המחקר אינו מתמקד בהתנגדות לאנטיביוטיקה כשלעצמה.
"זה לא מאמר על TEM-1 β-lactamase", הוא מסביר. "הגן הזה היה רק אמת מידה מאופיינת היטב כדי להראות כיצד המערכת עובדת. מה שחשוב הוא שאנחנו יכולים כעת להתפתח כמעט כל חלבון, כמו יעדי תרופות לסרטן ואנזימים טיפוליים, בימים במקום חודשים."
הפוטנציאל הרחב יותר של T7-oracle טמון ביכולות ההסתגלות שלו כפלטפורמה להנדסת חלבונים. אם כי המערכת מובנית פנימה א. קוליהחיידק משמש בעיקר ככלי להתפתחות רציפה. מדענים יכולים להכניס גנים מבני אדם, וירוסים או מקורות אחרים לפלסמידים, אשר מכניסים אז לתוכם א. קולי תאים. T7-Oracle מחניקה גנים אלה, ומייצרים חלבונים וריאנטיים שניתן לבחון או לבחור אותם לשיפור הפונקציה. כִּי א. קולי קל לצמוח ולהשתמש בהם באופן נרחב במעבדות, הוא מספק מערכת נוחה וניתנת להרחבה להתפתחות כמעט כל חלבון מעניין.
זה יכול לעזור למדענים להתפתח במהירות רבה יותר נוגדנים למיקוד לסרטן ספציפי, לפתח אנזימים טיפוליים יעילים יותר, ולעיצוב פרוטאזות שמכוונות לחלבונים המעורבים בסרטן ומחלות ניווניות.
"מה שמרגש הוא שזה לא מוגבל למחלה אחת או לסוג אחד של חלבון", אומר דיירקס. "מכיוון שהמערכת ניתנת להתאמה אישית, אתה יכול לרדת בכל גן ולהתפתח אותה לעבר כל פונקציה שאתה צריך."
יתר על כן, T7-Oracle עובד עם סטנדרט א. קולי תרבויות וזרימות עבודה במעבדה הנמצאות בשימוש נרחב, ונמנעות מהפרוטוקולים המורכבים הנדרשים על ידי מערכות אבולוציה רציפות אחרות.
"הדבר העיקרי שמבדיל את זה הוא כמה קל ליישם", מוסיף Diercks. "אין צורך בציוד או מומחיות מיוחדים. אם אתה כבר עובד איתו א. קוליאתה בטח יכול להשתמש במערכת זו עם התאמות מינימליות. "
T7-Oracle משקף את המטרה הרחבה יותר של שולץ: לבנות מחדש תהליכים ביולוגיים מרכזיים-כ- שכפול DNA, תעתיק RNA ותרגום חלבון-הם מתפקדים באופן עצמאי בתא המארח. הפרדה זו מאפשרת למדענים לתכנת מחדש תהליכים אלה מבלי לשבש את הפעילות הסלולרית הרגילה. על ידי ניתוק תהליכים בסיסיים מהגנום, כלים כמו T7-Oracle עוזרים לקדם את הביולוגיה הסינתטית.
"בעתיד אנו מעוניינים להשתמש במערכת זו כדי לפתח פולימראזות שיכולות לשכפל חומצות גרעין לא טבעיות לחלוטין: מולקולות סינתטיות הדומות ל- DNA ו- RNA אך עם תכונות כימיות חדשות" אומר Diercks. "זה יפתח אפשרויות בגנומיקה סינתטית שאנחנו רק מתחילים לחקור."
נכון לעכשיו, צוות המחקר מתמקד בהתפתחות אנזימים הנגזרים על ידי אנוש לשימוש טיפולי, ובהתאמת פרוטאזות כדי לזהות רצפי חלבון ספציפיים הקשורים לסרטן.
"גישת ה- T7-Oracle ממזגת את הטוב ביותר משני העולמות", אומר שולץ. "כעת אנו יכולים לשלב תכנון חלבון רציונלי עם התפתחות רציפה כדי לגלות מולקולות פונקציונליות בצורה יעילה מתמיד."
