معلومة

هل ستؤدي البروتينات الجديدة التي تحتوي على أحماض أمينية جديدة إلى استجابة مناعية؟

هل ستؤدي البروتينات الجديدة التي تحتوي على أحماض أمينية جديدة إلى استجابة مناعية؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

ذكرت هذه المقالة أن العلماء نجحوا في إضافة قاعدتين جديدتين إلى الرباعية المكونة من A و C و G و T ، مما أدى إلى تكوين حمض أميني غير قانوني. بالإضافة إلى ذلك ، كانت البكتيريا التي تم إجراء ذلك فيها قادرة على إنتاج بروتينات جديدة باستخدام القواعد المضافة حديثًا. ونقلت المقالة عن العلماء قولهم إن الأحماض الأمينية الإضافية "قد تصبح لبنات بناء لعقاقير جديدة ومواد جديدة".

سؤالي هو أنه إذا تم تصنيع بروتينات جديدة من الأحماض الأمينية التي لا تحدث بشكل طبيعي ، ألن يرفضها الجسم؟


آلية الجسم لاكتشاف الجسم الغريب لديها آلية مضمنة من الفشل تقلل من احتمالية إساءة تفسير مستضد مشتق ذاتيًا على أنه غريب.

عادة ما يمنع التحمل المناعي (عدم الاستجابة) ردود الفعل ضد المستضدات الذاتية ؛ إذا تم كسر التحمل المناعي ، فقد تحدث تفاعلات المناعة الذاتية. يحدث الكثير من تطور التسامح في الغدة الصعترية عن طريق القضاء على (حذف نسيلي) أو تعطيل (حساسية نسيلي) للنسخات ذاتية التفاعل للخلايا التائية. تحدث آليات التسامح الأخرى بشكل غير طبيعي وتشمل تنشيط الخلايا التائية المثبطة لمستضد معين وحذف نسيلي ، مما يؤدي إلى القضاء على الخلايا البائية ذاتية التفاعل أو الخلايا التائية ، والحساسية النسيليّة.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK7795/

في الأساس ، قبل أن تبدأ الخلية التائية في البحث عن مستضدات محتملة ، فإنها تقضي أولاً بعض الوقت في الغدة الصعترية التي يتم اختبارها ضد المستضدات الأصلية في الجسم. إذا استجابت لمثل هذا المستضد ، فسيتم تدمير الخلية التائية أو تعطيلها.

من غير المحتمل أن يؤدي وجود أحماض أمينية غير طبيعية كجزء من هذه العملية إلى تغيير فعاليتها. ستظل الخلايا التائية التي تستهدف الببتيدات بهذه الأحماض الأمينية غير الطبيعية قيد الفحص ضد خلايا الجسم قبل إرسالها للقيام بعملها ؛ ستعمل الآلية بنفس الطريقة. أظن أن معدل أمراض المناعة الذاتية لن يتغير مقارنة بالكائنات الطبيعية.


مقدمة

هذا السؤال له مكونان. الأول هو السؤال شبه البلاغي ما إذا كان الجهاز المناعي يعتبر البروتينات التي تحتوي على أحماض أمينية غير طبيعية على أنها "غير ذاتية". ما لم يتشابه الحمض الأميني غير الطبيعي عن طريق الصدفة مع بعض المكونات الجزيئية الطبيعية ، فمن الواضح أن الإجابة هي أنه سيتم اعتباره "غير ذاتي".

السؤال الثاني هو ، في رأيي ، أكثر إثارة للاهتمام ، ولكن لا يبدو أنه تم اعتباره (أو تم اعتباره أمرًا مفروغًا منه) في إجابةAstrolamb. هذا هو ما إذا كانت الاستجابة المناعية ستتسبب في القضاء على مثل هذه البروتينات الاصطناعية ، إذا تم تناولها علاجيًا. من المهم ، في هذه المرحلة ، التأكيد على ذلك البروتينات التي تحتوي على أحماض أمينية غير طبيعية نتيجة لتوسيع الشيفرة الجينية لا تثير ، من حيث المبدأ ، أي مشاكل تتعلق بـ "الرفض" المناعي والتي لم يتم رؤيتها بالفعل في البروتينات "غير الطبيعية" التي تحتوي على أحماض أمينية طبيعية. لذلك يجب اعتبار أي استجابة مناعية على أنها "بروتين غير ذاتي" وليس "حمض أميني غير ذاتي".

نظرًا لوجود العديد من هذه الدراسات مع البروتينات الأخيرة (ومع البروتينات التي تحتوي على أحماض أمينية غير طبيعية تم إدخالها عن طريق التعديل الكيميائي) ، فهناك دراسات مستفيضة يمكن الاستناد إليها في الإجابة. سيكون اختصاصي المناعة شخصًا أفضل للقيام بذلك ، ولكن في حالة عدم وجود أي "استجابة مناعية" سأحاول الإجابة من خلال قراءتي للأدبيات ، بالاعتماد بشكل خاص على:

K. Wals و H. Ovaa "دمج الأحماض الأمينية غير الطبيعية في الإشريكية القولونية: التطبيقات الحالية والمستقبلية في تصميم البروتينات العلاجية" أمام. تشيم 2, 1-12 (2014)

و

ب. القائد وآخرون. "علاجات البروتين: ملخص وتصنيف دوائي" مراجعات الطبيعة اكتشاف الأدوية 7, 21-39 (2008)

أرحب بالتعليقات التي تقترح تحسينات أو تصحيحات.

ملخص

يطرح السؤال:

"إذا تم تصنيع بروتينات جديدة من الأحماض الأمينية التي لا تحدث بشكل طبيعي ، ألن يرفضها الجسم؟"

الذي أعنيه:

"إذا تم تصنيع بروتينات جديدة من الأحماض الأمينية التي لا تحدث بشكل طبيعي ، ألن تؤدي إلى استجابة مناعية تجعلها غير فعالة؟"

الجواب المختصر لهذا هو:

  1. هذا يعتمد - تتنوع مناعة البروتينات الأجنبية.
  2. حتى لو تم استنباط استجابة مناعية ، فقد لا يؤدي هذا بالضرورة إلى جعل هذه البروتينات غير فعالة.
  3. في بعض الحالات ، يكون الهدف العلاجي في الواقع هو إثارة استجابة مناعية - لجعل البروتين ضعيف المناعة أكثر من ذلك.

البروتينات الأجنبية تختلف في الاستمناع

يكمن جوهر الإجابة على هذا السؤال في الآتي:

حقيقة أن البروتين المستخدم لأغراض علاجية يختلف عن تلك الموجودة في الإنسان ليس في حد ذاته يعني أنه سوف يستدعي استجابة مناعية.

دعونا ننظر في مثالين لتوضيح ذلك.

الحالة الأولى هي حالة أنسولين الخنازير ، الذي تم إعطاؤه للمرضى لسنوات عديدة ، ولكن يحتوي على حمض أميني واحد يختلف عن الأنسولين البشري. فيما يتعلق بمثل هذا الأنسولين غير البشري ، تنص هذه المراجعة على أن "المضاعفات المناعية الشديدة تحدث نادرًا ، وتؤثر الأحداث الأقل خطورة على أقلية صغيرة من المرضى".

المثال الثاني مأخوذ من أعمال أحدث قام بها D-A. سيلفا وآخرون. في تصميم البروتينات الاصطناعية. (انظر أيضًا ملخص Nature News & Views). لقد صمموا محاكيات السيتوكينات ، إنترلوكين 2 وإنترلوكين 5 ، التي لها اختلافات واسعة في تنظيم اللولب وتسلسل الأحماض الأمينية من البروتينات الأصلية. ومع ذلك فقد ذكروا أن "الاستمناع ضد البروتينات المصممة من قبل دي نوفو يبدو أنه منخفض".

اتضح أن مجموعة متنوعة من العوامل تؤثر على مناعة الجزيئات الأجنبية الكبيرة ، لذلك حتى لو تسبب البروتين العلاجي في استجابة مناعية ، فقد يكون ضعيفًا بما يكفي للسماح بحدوث الإجراء العلاجي. في العمل الذي استشهد به للتو ، سيلفا وآخرون. تشير إلى أن سبب انخفاض المناعة قد يكون "الحجم الصغير والثبات العالي" للبروتينات على أساس العمل السابق الذي قاموا به باستخدام 20.000 بروتين صغير.

من المسلم به أنه في بعض الحالات ستحدث استجابة مناعية قوية ويمكن أن تكون مشكلة واضحة ، لذلك يجب اتخاذ تدابير لتقليل الاستمناع. هذا معترف به على نطاق واسع ومناقشته في الورقة التالية:

ف. برينكس وآخرون. "مناعة البروتينات العلاجية: استخدام النماذج الحيوانية" فارم ريس (2011) 28:2379-2385

في بعض الأحيان ، يمكن أن يؤدي التعديل الكيميائي للبروتينات إلى تقليل مناعتها ، كما هو الحال بالنسبة للبولي إيثيلين جلايكول فيما يتعلق بالإنترفيرون (ب. وآخرون. مراجعة المذكورة أعلاه).

استخدام البروتينات العلاجية ل يستفز استجابة مناعية

أحد الاستخدامات المتوخاة للبروتينات المعدلة هو العلاج المناعي للسرطان. باختصار ، الهدف هو محاولة جعل الجسم يقوم باستجابة مناعية ضد الخلايا السرطانية ، والتي قد تظهر مستضدات أورام "غريبة". ومع ذلك ، في كثير من الحالات ، لا تكون هذه الاختلافات عن الخلايا الطبيعية كافية لإثارة استجابة مناعية كافية. لقد ثبت أن تعديل البروتين الرابط للريتينول عن طريق إدخال حمض أميني غير طبيعي يمكن أن يساعد في التغلب على التحمل الذاتي للأورام في الفئران ، مما يشير إلى إمكانية استخدامها في العلاج المناعي للسرطان (J. Grünewald وآخرون. "دراسات ميكانيكية لإنهاء كيميائي مناعي للتسامح مع الأحماض الأمينية غير الطبيعية" PNAS (2009) 106, 4337-4342).

استنتاج

لا تثير البروتينات التي تحتوي على أحماض أمينية غير طبيعية نتيجة لتوسيع الشيفرة الجينية ، من حيث المبدأ ، أي مشاكل تتعلق بـ "الرفض" المناعي لم يتم رؤيته بالفعل في البروتينات "غير الطبيعية" التي تحتوي على أحماض أمينية طبيعية أو أحماض أمينية معدلة كيميائيًا. مشكلة الاستمناع المحتمل معترف بها على نطاق واسع وقد تمت دراستها على نطاق واسع من قبل أولئك الذين يرغبون في تطوير الإمكانات العلاجية الكبيرة لجميع هذه البروتينات.


هل يمكن للمتطرفين أن يخفوا سر علاج الإصابات المدمرة؟

رسم توضيحي للتارديغرادا القادر على تحمل الجفاف والإشعاع الكوني. الائتمان: iStock / Eraxion

الدب المياه. طحلب خنزير صغير. بطيئات المشية

إن السمات اللطيفة التي يتميز بها هذا الحيوان متعدد الأسماء تكذب طبيعتها القاسية.

قادر على تحمل الجفاف والإشعاع الكوني ودرجات حرارة منخفضة تصل إلى -450 درجة فهرنهايت وعالية تصل إلى 300 درجة فهرنهايت ، هذا المخلوق المجهري ذو الثمانية أطراف يحمل مفتاحًا لواحد من أعظم أسرار علم الأحياء - البقاء المدقع.

أسرت بطيئات المشية خيال علماء الأحياء الفلكية - سافر العديد من أفراد العشيرة إلى الفضاء كجزء من التجارب البحثية - وأثارت خيال عشاق الخيال العلمي كمخلوق فضائي عملاق في ستار تريك: ديسكفري.

الآن يتساءل العلماء في كلية الطب بجامعة هارفارد (HMS): هل يمكن لفيزيولوجيا هذا الشخص المتطرف أن تقدم رؤى يمكن تطبيقها على البشر؟

مستوحى من الطبيعة ، محسّن في المختبر

تأمل مجموعة HMS ، التي تعمل مع زملائها في جامعة واشنطن وسياتل ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، الإجابة على هذا السؤال بالذات في مشروع جديد طموح يهدف إلى فك تشفير بنية ووظيفة العديد من بروتينات بطيئات المشتبه في أنها تلعب دورًا في مرونة الكائن الحي. ، ثم استخدام هذه البروتينات كأساس للعلاجات البشرية التي توقف تلف الأنسجة وتمنع موت الخلايا.

هدف الفريق هو هندسة نسخة مُحسَّنة من هذه البروتينات واستخدامها لإبطاء النشاط الأيضي في الخلايا المصابة - المكافئ البيولوجي للضغط على زر الإيقاف المؤقت في العمليات الخلوية ، بما في ذلك الالتهابات المسببة للضرر ، والعدوى ، وفي النهاية زوال الخلايا.

الهدف النهائي للفريق هو تطوير علاج قائم على البروتين يمكن أن يوقف تلف الأنسجة في الإصابات الرضحية والنوبات القلبية والسكتات الدماغية والإنتان ، من بين حالات أخرى.

قالت باميلا سيلفر ، الباحث المشارك الرئيسي في المشروع وأستاذ بيولوجيا الأنظمة في معهد بلافاتنيك في إتش إم إس وعضو في معهد هارفارد ويس بجامعة هارفارد: "لقد بدأت حقًا كفكرة سخيفة وعالية الخطورة".

في ربيع عام 2018 ، واجه سيلفر تحديًا في المنحة نشره الجيش الأمريكي بحثًا عن حلول جديدة لاستقرار الإصابات المؤلمة في مناطق القتال. كانت تعرف فقط عقل من يختار.

لطالما كان روجر تشانغ ، عالم المعلوماتية الحيوية وعالم الأحياء الجزيئية في مختبر سيلفر ، مفتونًا بمقاومة البروتين ، حيث درس ، من بين أمور أخرى ، دور البروتينات في الإجهاد الحراري وحماية الخلايا البكتيرية من أشعة جاما. منذ وقت ليس ببعيد ، رأى تشانغ دراسة تظهر أنه عندما يتم إدخال بروتينات بطيئات المشية في الإشريكية القولونية والخميرة ، فإنها تجعل الكائنات الحية تتحمل الجفاف بشكل غير عادي.

تساءل تشانغ ماذا لو أمكن تكرار هذه العمليات في الخلايا البشرية. سأل تشانغ أن بروتين بطيئات المشية من النوع البري أظهر تأثيرًا وقائيًا متواضعًا فقط في الإشريكية القولونية والخميرة ، ولكن ماذا لو أمكن جعل هذه البروتينات أكثر فاعلية في المختبر.

قال تشانغ: "لقد بدأت في تصور كيف يمكننا تحسين المواد" الخام "في الطبيعة وتشغيلها للاستخدام البشري".

جمال الفوضى

ما الذي يسمح بطيئات المشية بالبقاء في ظروف قد تقتل معظم الكائنات الحية الأخرى؟ لا تزال الآليات الدقيقة الكامنة وراء قدرتها على الخضوع للتشفير الذاتي الحفظ غير مفهومة جيدًا. ومع ذلك ، تشير الدلائل إلى أنه عندما تخضع لهذه العملية ، فإنها تنشر سلسلة من المواد الكيميائية الحيوية - بما في ذلك البروتينات وجزيئات السكر - التي تحمي الأحماض النووية والبروتينات داخل الخلايا من التلف.

تنتمي البروتينات المعنية إلى فئة تعرف باسم البروتينات المضطربة جوهريًا (IDPs). الميزة الأكثر لفتًا للانتباه التي يتمتع بها النازحون - والتي تعطي الفئة اسمها - هي الافتقار إلى بنية منظمة ومرتبة يمكن تصورها بسهولة في دراسات التصوير ثلاثية الأبعاد.

بطيئات المشية هي ، بأي حال من الأحوال ، الحيوانات الوحيدة التي تظهر وجود النازحين داخليا. هذه البروتينات موجودة في كل مكان تقريبًا عبر الأنواع ، بما في ذلك البشر. كما أن بطيئات المشية ليست الكائنات الحية الوحيدة القادرة على تحمل الإجهاد الشديد. تشمل أنواع الكائنات القاسية الأخرى المعروفة بعض الديدان الخيطية والروبيان الملحي ونبات القيامة المسمى شعريًا ، والذي يمكنه البقاء على قيد الحياة من الجفاف لسنوات ويعود إلى الحياة في غضون ساعات فقط من الماء.

كان علماء الأحياء على دراية بوجود بروتينات مضطربة لعقود من الزمن ، لكنهم رفضوها لفترة طويلة على أنهم غير مهمين. لا يُفهم النازحون داخليًا جيدًا لدرجة أنه لا يوجد حتى الآن إجماع واضح على ما يشكل واحدًا. في الواقع ، بالنسبة للجزء الأكبر ، تظل وظائفهم غير معروفة. ما يعرفه العلماء هو أنه ليست كل البروتينات المضطربة قادرة على إبطاء النشاط الخلوي. لا يزال رسم خرائط بنيتها يمثل مشكلة أساسية - وهو التحدي الذي يترك العلماء يتساءلون عن أي من هذه البروتينات مضطرب حقًا وأيها ببساطة غير قابل للتقنيات الحالية لرسم خرائط البنية.

يعتبر تصميم أي بروتين تحديًا هائلاً - لا يختلف عن تصميم السيارة. إن تصميم بروتين مضطرب يشبه إنشاء مخطط لطائرة.

أدرك سيلفر وتشانج أن الوقت قد حان لاستدعاء ديبورا ماركس ، عالمة الرياضيات وعالمة الأحياء الحاسوبية في معهد بلافاتنيك في HMS والتي لديها اهتمام كبير بالنازحين وخبرة في النمذجة الحاسوبية التنبؤية.

ستكون مهمة شاقة. ومع ذلك ، فإن الجمع بين خبرة سيلفر في البيولوجيا التركيبية وبراعة ماركس في التعلم الآلي والحساب من شأنه أن يضع هذا في عالم الممكن.

البروتينات المصممة بالحاسوب

في الآونة الأخيرة ، قبل 10 سنوات ، كان علماء البيولوجيا التخليقية يقتربون من تطوير البروتين بالقوة الغاشمة - تصميم التجربة والخطأ متبوعًا باختبار سلسلة طويلة ، على ما يبدو ، لا نهاية لها ، من التجارب للوصول إلى الوصفة الصحيحة. اليوم ، يجعل التقدم في علم الأحياء الحسابي والتعلم الآلي العملية أكثر تركيزًا وكفاءة.

البروتين هو سلسلة من الأحماض الأمينية ، يحدد تسلسلها شكل البروتين. الشكل ، بدوره ، يحدد وظيفة البروتين ودوره: ما يمكنه وما لا يمكنه فعله. عدد مجموعات الأحماض الأمينية الممكنة لا نهائي ، فكيف يمكن للمرء اختيار التسلسل الصحيح لصنع بروتين يؤدي مجموعة محددة مسبقًا من المهام البيولوجية؟

ماركس ، الباحث المشارك الرئيسي الآخر في المشاريع ، سيقود التصميم الحسابي للنازحين الاصطناعية المناسبة للاستخدام في الخلايا البشرية. يوضح ماركس أن ما يستلزمه هذا هو اكتشاف سمات تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين التي من شأنها أن تسمح لها بإبطاء الوظائف البيولوجية للخلية والقيام بذلك بشكل عكسي. تتطلب المهمة استخدام النمذجة الحاسوبية الاحتمالية لبناء بروتين آمن وفعال في البشر. من المتطلبات الأساسية للاستخدام في البشر ضمان أن البروتين يمكنه تجاوز دفاعات الجسم المناعية. بمعنى آخر ، لا ينبغي أن يؤدي البروتين المرشح إلى تحفيز استجابة الجسم المضاد في الأنسجة البشرية والتسبب في هجوم من قبل الجهاز المناعي للمضيف. لتحسين ميزات تصميم البروتين ، سيتعاون ماركس مع ديفيد بيكر في جامعة واشنطن للتنبؤ بكيفية تفاعل البروتين مع عشرات الآلاف من المكونات الخلوية عند إدخاله داخل الخلايا البشرية.

قال ماركس إنه بدلاً من اختبار الاحتمالات اللانهائية ، فإن هذا التصميم التنبئي مستهدف. إنه اختبار مسبق مستنير لعدد محدود ، ونأمل أن يكون ، من مجموعات الأحماض الأمينية الممكنة.

قال ماركس: "هذا ليس نهج الصندوق الأسود حيث نضع كل مجموعة ممكنة ونضع حمولة من الميزات ونرى ما الذي يعلق". "إنه شكل من أشكال التعلم الآلي غير الخاضع للإشراف الذي لا يفترض أي نتيجة. إن عالم تسلسل البروتين المحتمل لا نهائي ، لذلك نريد أن نكون موجهين ومستهدفين."

سيبدأ الفريق باختبار البروتينات المرشحة في الخلايا البشرية المشتقة من أنسجة مختلفة - العضلات والأوعية الدموية والقلب والخلايا العصبية وما إلى ذلك. بعد ذلك سيختبرون البروتين في أشباه العضويات البشرية ، وأخيراً في الحيوانات. وقال سيلفر إنه سيكون من الممكن توجيه البروتين بدقة إلى خلايا وأنسجة وأنواع أعضاء معينة.

قال سيلفر: "لقد درسنا استهداف البروتينات لسنوات ، ولدينا حيلة طورناها حول كيفية الحصول على بروتين على أهداف محددة دون غيرها".

ستكون كيفية توصيل البروتين الذي يوقف الضرر داخل الخلايا أحد التحديات الأساسية في هذا المشروع. إذا تم حلها ، فسيوفر حلاً لعقبة ضخمة في تطوير المستحضرات الصيدلانية.

قال سيلفر: "نأمل أن نتمكن من إيجاد بعض نقاط الدخول الجديدة إلى الخلية لتوصيل البروتين".

إذا نجح هذا القالب ، يمكن تكييفه لتطوير بروتينات أخرى.

قال سيلفر: "الرؤية هي أن يكون لدينا سرير اختبار حيث يمكننا نشر الكثير من الأنماط المختلفة لهذه البروتينات ومعرفة الأفضل منها". "سيكون الحلم النهائي هو تصميم بروتينات جديدة تمامًا ، لم يسبق لها مثيل. يمكن أن يصبح العمل بعد ذلك منصة جديدة لتصميم البروتينات."

خارج ساحة المعركة

في ديسمبر 2018 ، حصل الفريق على اتفاقية تعاون مدتها خمس سنوات بقيمة تصل إلى 14.8 مليون دولار من وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) لمتابعة الفكرة.

سيكون التطبيق الأولي للمركبات القائمة على البروتين هو وقف النزيف ونخر الأنسجة في الإصابات المؤلمة. سيسمح استخدام المركب الذي يوقف موت الخلايا بالنقل والعلاج مع تجنب تلف الأنسجة المنتشر والعدوى وموت الخلايا الذي يحدث عندما يتأخر علاج مثل هذه الإصابات.

لكن سيلفر قال إن الهدف طويل المدى والأكثر طموحًا هو توسيع الفائدة العلاجية لمثل هذه المركبات إلى ما هو أبعد من ساحة المعركة.

شرطان يمكن الاستفادة من مثل هذا النهج هما النوبات القلبية والسكتات الدماغية.

في حالة النوبات القلبية ، على سبيل المثال ، حتى عندما يتم علاج المرضى بسرعة نسبية ، فإن احتشاء عضلة القلب قد قتل بالفعل خلايا عضلة القلب المتعطشة للأكسجين. كلما طال التأخير ، زاد الضرر وزاد نصف قطر موت الأنسجة. يشير القول المأثور "الوقت هو العضلة" إلى فكرة أنه حتى التأخير البسيط في العلاج يمكن أن يسبب فقدانًا للعضلات لا رجعة فيه ، مما يؤدي بدوره إلى تلف القلب على المدى الطويل ، وفقدان وظائف عضلة القلب في نهاية المطاف ، وفشل القلب ، وفي الحالات القصوى ، الموت.

وينطبق الشيء نفسه على إهانات الدماغ ، مثل السكتات الدماغية أو الإصابات الرضحية ، حيث يمكن أن يؤدي تلف منطقة صغيرة من الدماغ إلى التأثير على الخلايا العصبية المحيطة. إذا كان من الممكن علاج الأشخاص الذين يعانون من نوبة قلبية أو سكتة دماغية بعوامل مشتقة من البروتين توقف بشكل فعال الضرر المستمر حتى يتم نقل المرضى إلى المستشفى ، فيمكن تحسين نتائجهم بشكل كبير. قد يكون هذا العلاج مفيدًا بشكل خاص للإصابات التي تحدث في المناطق المعزولة جغرافيًا حيث لا تتوفر رعاية الطوارئ أو الصدمات المتخصصة.

وقال الفريق إن مركبًا حيويًا يمكن أن يسمح أيضًا بالحفاظ على الأدوية القائمة على البروتين بدون تبريد ، مما يتيح نقلًا أسهل وأرخص. استخدام محتمل آخر هو حفظ البويضات بالتبريد أكثر فعالية من أجل الإخصاب في المختبر. تتضمن تقنيات حفظ البويضات الحالية التجميد العميق الكلاسيكي (الحفظ بالتبريد) ونهجًا أحدث يسمى التزجيج ، وهي عملية تضع الأنسجة في حالة بلورية مستحثة كيميائيًا. يتطلب التزجيج استخدام العديد من المواد الكيميائية ، بما في ذلك الإيثيلين جلايكول ، العنصر النشط في مضاد التجمد. بينما يزيد التزجيج من قابلية بقاء البيض ، لا تزال البيانات المتعلقة بالنتائج طويلة الأجل للنسل غير متوفرة.

وقال تشانغ: "إن المادة البيولوجية التي تم تصميمها لتجنب السمية بناءً على تصميم يستفيد من ملايين السنين من التطور لمنح الحماية الخلوية ليس من المرجح أن تكون أكثر أمانًا فحسب ، بل من المحتمل أيضًا أن تقدم قدرة بيضة محسنة على التكنولوجيا الحالية". وأضاف أن هناك إمكانات مماثلة للحفاظ على الأعضاء للزرع ويمكن أن تكمل التقنيات الناشئة للحفاظ على الجسم بالكامل.

يمكن للمركبات المشفرة الحيوية أيضًا تعزيز الجهود البحثية من خلال السماح للعلماء بإجراء إسكات مستهدف لبروتينات أو أنواع خلايا معينة أثناء التجارب. على سبيل المثال ، إذا سعى الباحث إلى تحديد ما إذا كان البروتين A حساسًا لعقار تجريبي ، فيمكنه استخدام مركب يعتمد على IDP لإلغاء تنشيط البروتين المعني ثم قياس كيفية استجابة الخلية لعقار معين في حالة عدم وجود البروتين الصامت.

على الرغم من أنه يبدو وكأنه مادة من الخيال العلمي ، إلا أن المفهوم له معنى تطوري أنيق. بعد كل شيء ، فإن جهود الفريق مبنية على تكييف الوصفات البيولوجية الموجودة مسبقًا والتي تم تجربتها واختبارها على مدى عشرات الملايين من السنين من التطور.

قال سيلفر: "ما نفعله كعلماء أحياء اصطناعية هو أننا ننظر إلى الطبيعة". "ثم نسأل عما يمكننا الاستفادة منه واستخدامه كمنصة لحل مشكلة."

"إذا أخبرك أحدهم ، فلنأخذ كائنًا متعدد الخلايا ، حيوانًا أو إنسانًا ، ونغير عملية التمثيل الغذائي به حتى يتمكن من تحمل كميات هائلة من الإجهاد - الحرارة ، والبرودة ، والجفاف - ثم نعيده إلى الحياة ، كما تقول هذا مجرد خيال علمي ، أليس كذلك؟ " قال ماركس. "لكن الحقيقة هي أن الحياة الواقعية قد فعلت ذلك بالفعل."


خيارات الوصول

احصل على الوصول الكامل إلى دفتر اليومية لمدة عام واحد

جميع الأسعار أسعار صافي.
سيتم إضافة ضريبة القيمة المضافة في وقت لاحق عند الخروج.
سيتم الانتهاء من حساب الضريبة أثناء الخروج.

احصل على وصول محدود أو كامل للمقالات على ReadCube.

جميع الأسعار أسعار صافي.


مارك لوني ، (دكتور في الطب)

طب الرئة والرعاية الحرجة ، إصابة الرئة الحادة ، متلازمة الضائقة التنفسية الحادة ، عمليات نقل الدم ، إصابة الرئة الحادة المرتبطة بنقل الدم ، العدلات ، مصائد العدلات خارج الخلية ، الصفائح الدموية ، زرع الرئة

مختبري مثير للاهتمام على نطاق واسع في دراسة علم الأحياء المناعي الفطري في الرئة السليمة والمصابة. باستخدام نماذج ما قبل السريرية لإصابة الرئة الحادة ، ركزنا على العدلات والصفائح الدموية ، وهذه الأخيرة هي خلية مناعية جيدة مع إمكانات التهابية قوية. تتمثل إحدى نتائج تفاعلات الصفائح الدموية مع العدلات في تكوين مصائد خارج الخلية للعدلات (NETs) ، والتي ندرسها في كل من نماذج إصابات الرئة المعقمة والناجمة عن مسببات الأمراض. نحن نحدد الآليات التي من خلالها تطلق الصفائح الدموية الشبكات والمسارات الجديدة لاستهداف الشبكات - التي اكتشفنا أنها تشكل حاجزًا عامًا معطلاً في الرئة.

نستخدم أيضًا الفحص المجهري للرئة ثنائي الفوتون كأداة للاكتشاف. باستخدام هذه التقنية ، قررنا أن الرئة هي مصدر رئيسي لإنتاج الصفائح الدموية الناضجة في الفئران. علاوة على ذلك ، تستقر الخلايا العملاقة في الرئة خارج الأوعية الدموية وقد يكون لها تأثيرات مناعية محلية قوية. تحتوي الرئة أيضًا على مجموعة واسعة من الأسلاف المكونة للدم ، والتي لديها القدرة على ترك الرئة والنخاع في نخاع العظم لإنتاج دم متعدد السلالات. نحن نحدد العوامل المعززة المتخصصة المسؤولة عن إقامة السلف المكونة للدم في الرئة ومساهمات هذه الخلايا في مخزون المناعة المحلي.

لدينا اهتمام متزايد بدراسات زراعة الرئة ، بما في ذلك إصابة نقص التروية وضخ التروية (ضعف الكسب غير المشروع الأولي) ونمذجة الخلل الوظيفي الرئوي المزمن (التهاب القصيبات المسد). نحن نستخدم تقنية زرع رئة واحدة من الماوس لهذه الدراسات ولإنشاء كائنات الرئة للتحقيق.


قد يعكس الجسم المضاد & # x0201c المناعية & # x0201d الاستتباب

يبدو من غير المنطقي أن تتسبب الأجسام المضادة المشتقة من التسلسل البشري الكامل في استجابات مناعية لدى البشر. تحدث الجلوبيولينات المناعية بكميات مجم / مل في مصل الدم وتبدأ التعبير في وقت مبكر جدًا في مرحلة التطور ، عندما يتم طبع تحمل البروتينات الذاتية على الجهاز المناعي الناشئ. 52 خلية CD4 + T يتم تحملها أو حذفها في الغدة الصعترية أثناء التطور ، ويتم تنشيطها وحذفها في المحيط عند ملامستها للمستضد المعبر عنه بشكل غير مناسب. 53 ، 54 مجموعات فرعية تفاضلية متعددة من الخلايا التائية التنظيمية تتحكم في الاستجابات غير المناسبة للمستضد في المحيط. 55 ، 56 خلية بائية يتم تحملها عن طريق آليات الحذف و anergistic أثناء التطور ، ولكن يمكنها أيضًا إنقاذ نفسها من خلال عملية تحرير المستقبلات. 57 تحرير المستقبلات هو عملية التطوير حيث يمكن للخلايا البائية إعادة ترتيب مقاطع المنطقة V مرة ثانية ، وبالتالي تغيير الخصوصية لتجنب الحذف. 58 ، 59 ومع ذلك ، على الرغم من هذه الآليات ، يحتوي المصل البشري من متبرعين طبيعيين غير مصابين على مستويات يمكن اكتشافها من الأجسام المضادة المضادة للنمط الذاتي لمجموعة واسعة من الأجسام المضادة الذاتية. 60 & # x02013 65 الأجسام المضادة للنمط الوهمي تشبه الأجسام المضادة للأدوية ضد mAbs العلاجية ، أي أنها أجسام مضادة ذات خصوصية للمنطقة V الفريدة لجزيئات الغلوبولين المناعي الأخرى. يشير وجود الأجسام المضادة الذاتية إلى أن نظام التحمل ليس مثاليًا ، وفي الواقع ، يظهر التفاعل المتعدد مع المستضدات الذاتية أثناء الطفرات الجسدية المفرطة التي تحدث أثناء الاستجابة المناعية. 66 قد تمثل الأجسام المضادة المضادة للنمط الذاتي الخاصة بالأجسام المضادة متعددة التفاعلات التي قد تكون مشكلة حديثًا والتي قد تكون مشكلة ، آلية إضافية لضمان التحمل للبروتينات الذاتية. في الواقع ، بالنسبة لبعض أمراض المناعة الذاتية ، قد تكون هذه الأجسام المضادة IgG المضادة للنمط الذاتي وقائية لأن غياب الاستجابة المضادة للنمط الذاتي يرتبط بوجود مرض في مرض السكري من النوع الأول. 62 يعد وجود الأجسام المضادة المضادة للنمط الذاتي إحدى الآليات المقترحة لفعالية IVIg في العديد من أمراض المناعة الذاتية المختلفة. 64 ، 65 لذلك ، من المحتمل أن يكون تكوين استجابة مناعية بوساطة الجسم المضاد موجهة إلى مواقع الجمع بين الأجسام المضادة الأخرى حدثًا طبيعيًا غير مُمْرِض. 67 ، 68

إذا كان من الممكن تنشيط الخلايا المساعدة CD4 + T الخاصة بالأجسام المضادة في المتبرعين العاديين ، حتى في ظل ظروف الحالة المستقرة التي تؤدي إلى أجسام مضادة غير مسببة للأمراض ومضادة للمناعة الذاتية ، فلا ينبغي أن يكون مفاجئًا أن إعطاء كميات كبيرة من الجسم المضاد تحمل خصوصية واحدة يمكن أن يؤدي إلى تحييد استجابات IgG المضادة للنمط الغبي في بعض المرضى. سيكون هذا التأثير واضحًا بشكل خاص إذا حدث أن يحمل الجسم المضاد على طول حاتمة الخلية التائية المساعدة CD4 + التي يمكن تقديمها من قبل المرضى & # x02019 جزيئات HLA من الفئة الثانية في منطقته V. هذه الأنواع من الاستجابات المناعية للأجسام المضادة العلاجية هي الأكثر إثارة للقلق لأنها لا تتضاءل بمرور الوقت ويمكن أن تؤثر على الفعالية وترتبط بقضايا الحركية الدوائية والسلامة. 69 ، 70 فقط عندما تحفز الأجسام المضادة ، أو استجابات الأجسام المضادة المضادة للعلاج ، عواقب إكلينيكية ، فإننا ننتبه فقط.


مناقشة

لقد أظهرنا سابقًا أن حذف جين SARS-CoV E يؤدي إلى فيروس موهن وهو لقاح مرشح واعد [30-34]. ومع ذلك ، نظرًا لأن السلامة والاستقرار من الاهتمامات الرئيسية للمرشحين للقاحات الحية الموهنة ، فقد ركزنا على استقرار rSARS-CoV-∆E في المختبر و في الجسم الحي وعلى توليد لقاح مرشح آمن من خلال تحديد آليات العودة إلى الفوعة.

بشكل غير متوقع ، أدى المرور التسلسلي لـ rSARS-CoV-∆E في ثقافة الخلية إلى توليد بروتينات خيمرية تتكون من تكرار جزئي لجين الغشاء المدمج في جزء من التسلسل الرئيسي. تتفق نتائجنا مع MHV المؤتلف الذي يفتقر إلى بروتين E (rMHV-E) الذي كان قابلاً للتطبيق ولكن تضاعف تكراره بشكل كبير [60]. تم نسخ rMHV-∆E إلى عيار أقل بـ 10000 ضعف من الفيروس الأبوي وتطور بشكل ملحوظ ، بشكل مشابه لـ SARS-CoV-E بعد المرور التسلسلي في خلايا زراعة الأنسجة [61]. على الرغم من أن توليد بروتين خيمري لوحظ سابقًا في MHV عندما تم حذف الجين E [61] ، إلا أن وجود نموذج PBM داخل التسلسل الكيمري المُدرج ودوره الرئيسي في توفير الاستقرار الجيني لـ SARS-CoV-E أثناء المقطع الموصوف في هذه المخطوطة ، لم يتم ملاحظتها من قبل. لم يكن التغيير في جينوم الفيروس التاجي غير متوقع بسبب التردد العالي لإعادة تركيب الحمض النووي الريبي والطفرة الموصوفة لهذه الفيروسات ، سواء في زراعة الخلايا أو في الحيوانات [37 ، 62-64].

تم التعبير عن جميع بروتينات SARS-CoV M الوراثية المتولدة في ثقافة الخلية ، مما يعزز نمو الفيروس في ثقافة الخلية مقارنة بـ rSARS-CoV-E. وبالمثل ، فإن rMHV-∆E الذي يحتوي على بروتينات خيمرية أظهر أيضًا زيادات كبيرة في الغلات الفيروسية [61 ، 65]. في المقابل ، أظهرت الفئران المصابة بـ rSARS-CoVs المحتوية على بروتينات خيمرية تم إنشاؤها في ثقافة الخلية انخفاضًا في التتر الفيروسي في رئتي الفئران المصابة حتى عند مقارنتها بفيروس rSARS-CoV-E. وبالمثل ، أدى المرور الواسع في زراعة الخلايا لفيروسات كورونا الأخرى ، بما في ذلك فيروس الإسهال الوبائي الخنازير (PEDV) وفيروس التهاب المعدة والأمعاء المعدية (TGEV) ، إلى سلالات أقل مسببة للأمراض مقارنة بالفيروسات البرية ، ربما بسبب ظهور طفرات حذف فقدت التسلسل المجال ليس ضروريًا لنموهم في ثقافة الخلية ، لكن ذلك أثر على مدارهم و في الجسم الحي تكرار [66-68]. البروتينات الكيميرية التي تحتوي على PBM تم إدخاله في الجينوم الفيروسي بعد المرور زادت من اللياقة الفيروسية في مزرعة الخلية بطريقة خاصة بالأنسجة ، أي أن البروتين الخيمري الذي تم إدخاله في الجينوم الفيروسي أثناء المرور في خلايا القرد عزز نمو الفيروس في الخلايا من هذا النوع ، في حين أن البروتين الكيمري تم إدخاله أثناء المرور في خلايا الفئران على وجه التحديد مما أدى إلى زيادة لياقة الفيروس في خلايا الفئران. علاوة على ذلك ، فإن هذه البروتينات الخيمرية لم تعزز النمو الفيروسي ولا الفوعة في الجسم الحي. أشارت هذه البيانات إلى أن إدخال البروتينات الكيميرية تكيف بشكل خاص مع الفيروس لتحقيق النمو الأمثل في ثقافة الخلية ولكنه لم يعزز في الجسم الحي النمو ولا الفوعة. في هذا السياق ، من المهم أيضًا ملاحظة أن نشاط PBMs يعتمد على تسلسلها المحدد ، وأيضًا على سياق التسلسل الذي يتم إدخالها فيه [27 ، 28 ، 69 ، 70].

قدم المرور التسلسلي لـ rSARS-CoV-∆E في الفئران تكرارًا جزئيًا لـ 45 نيوكليوتيد في بروتين 8a ، مما أدى إلى ارتداده إلى النمط الظاهري الخبيث. ارتبط هذا النمط الظاهري بقدرته على تنشيط p38 MAPK وتحريض التعبير الخلوي الالتهابي وزيادة تلف الرئة ، كما هو موضح سابقًا [24 ، 71].

بروتين 8a عبارة عن بروتين غشائي قصير يتكون من 39 حمضًا أمينيًا يشكل قنوات أيونية انتقائية كاتيون [72]. متغيرات SARS-CoV مع حذف في 8a ORF ، تم نقلها والحفاظ عليها في البشر في المراحل المتأخرة من وباء SARS-CoV [73 ، 74]. ومن المثير للاهتمام ، أن متحولة بروتين 8a تتولد أثناء مرور الفيروس في الجسم الحي يحتوي على PBM جديد محتمل (CTTV) مترجم في المنطقة الداخلية لمجال الكاربوكسي الطرفي للبروتين (الشكل 5). على الرغم من أن تسلسل CTVV كان موجودًا بالفعل في بروتين 8a الأصلي ، إلا أنه على الأرجح لا يمثل PBM وظيفيًا ، لأنه يقع داخل مجال الغشاء لبروتين 8a. توجد PBMs النشطة بشكل عام في المناطق المكشوفة للبروتينات ، وعادة ما تكون نهاية الطرف الكربوكسي أو ، بشكل استثنائي ، في المواضع الداخلية داخل المجال الكاربوكسي الطرفي ، مما يسمح بتفاعلها مع مجالات PDZ ، كما لوحظ في بروتينات NS5 لفيروس التهاب الدماغ المنقول بالقراد (TBEV) وفيروس حمى الضنك [75 ، 76]. ومع ذلك ، فإن PBMs التي تشكل جزءًا من مجال عبر الغشاء لا يمكن الوصول إليها من قبل البروتينات المحتوية على PDZ ولم يتم وصفها [29]. لذلك ، فإن تسلسل CTVV الجديد الذي يتم وضعه في بيئة مكشوفة قد يشكل PBM جديدًا ونشطًا. إدخال PBM ضمن بروتين 8a بعد المرور في الجسم الحي يمكن أن يكون راجعا إلى حقيقة أن ORF8 هي واحدة من المناطق التي لوحظت معظم الاختلافات بين عزلات الإنسان والحيوان من SARS-CoV [4]. في الواقع ، أظهر تسلسل الجينوم الكامل لفيروسات كورونا الشبيهة بالسارس في عزلات الخفافيش وجود PBM داخل ORF8 [5]. As mentioned above, species of bats are a natural host of coronaviruses closely related to those responsible for the SARS outbreak.

PDZ domains are among the modules most frequently involved in protein-protein interactions found in all metazoans [69]. In the human genome, there are more than 900 PDZ domains in at least 400 different proteins [77]. Many pathogenic viruses produce PDZ ligands that disrupt host protein complexes for their own benefit, such as hepatitis B virus, influenza virus, rabies virus and human immunodeficiency virus, influencing their replication, dissemination in the host, transmission and virulence [29]. Generation of new proteins containing a PBM after passaging in cell culture and in mice may affect their interaction with a wide range of cellular PDZ-containing proteins, affecting diverse biological functions with high relevance in pathogenesis. E protein PBM participates in two different and independent issues, virus stability and virulence. Our data suggest that when the PBM was present in a proper environment at the end of the E protein, either a native or a mutant protein, viruses remained stable. An independent observation is that the presence of a PBM within E protein confers pathogenicity to the virus [24]. This virulence is prevented either by PBM removal [24] or by the introduction of small deletions within the carboxy-terminus of E protein [53], which by themselves may cause attenuation or, alternatively, by indirectly affecting the PBM. Our results highlighted the critical requirement of viral proteins containing a PBM in the generation of CoVs with virulent phenotypes, and opened up new approaches for the rational design of genetically stable vaccines.

Maintaining the attenuated phenotype of the vaccine candidate after passage في المختبر was crucial to avoid the reversion to a virulent phenotype during the design and production of a genetically stable vaccine candidate. To this end, the identification of the relevance of the presence of a functional PBM motif at the carboxy-terminus of a transmembrane protein of the virus has been instrumental in the development of a stable SARS-CoV vaccine candidate. To minimize the risk of regain of virulence after passage, we engineered viruses with small deletions in E gene, instead of deletion of the entire E gene. By preserving the PBM, we observed no evidence for the development of chimeric proteins and thus no gain in virulence. As additional measures to ensure safety of this live attenuated vaccine candidate, we incorporated attenuating mutations into nsp1, in the context of the rSARS-CoV-ΔE or EΔ3. Nsp1 was chosen as a second attenuation target because this gene is located at a distant site (>20 kb) from that of the E gene in the viral genome, making it very unlikely that a single recombination event with a circulating wt coronavirus could result in the restoration of a virulent phenotype.

To analyze the role of SARS-CoV nsp1 in the pathogenesis of the virus, recombinant viruses encoding four different small deletions were generated. Deletion of amino acids 121–129 and 154–165, in the carboxy terminal region of nsp1 led to virus attenuation, indicating that nsp1 enhanced virus pathogenicity, as was previously shown for MHV [45, 48, 49]. Interestingly, these attenuated mutants grew in mice to lower titers than rSARS-CoV, probably by inducing higher IFN responses, indicating that these regions of nsp1 are critical for IFN antagonism. The induction of a higher innate immune response by the nsp1 deletion is most probably responsible for the decrease in SARS-CoV-nsp1* virus titers observed in mice and, to a lesser extent, in DBT-mACE–2 cells. In fact, a rSARS-CoV lacking the nsp1 protein grew poorly in IFN competent cells, but replicated as efficiently as the wt virus in IFN deficient cells [46], consistent with our findings. Similarly, titers of MHV deleted in nsp1 are restored almost to wild type levels in type I IFN receptor-deficient mice [48].

Immunization with singly deleted rSARS-CoV protected mice against challenge with rSARS-CoV, as it was previously shown with MHV nsp1-deletion mutants [48, 49]. SARS-CoV-nsp1ΔD-EΔ3, which contained deletions in nsp1 and E protein, maintained its attenuated phenotype after passage in Vero E6 cells and in mice. In addition, immunization with this double mutant fully protected mice from challenge with the parental virulent virus, indicating that it is a promising vaccine candidate in terms of both stability and efficacy.

Both humoral and cellular responses are relevant to protect from SARS [18, 19, 78, 79]. The viruses generated in this work express all viral proteins, except for small regions deleted in the E and nsp1 proteins, therefore have the potential of inducing both antibody and T cell responses, making this type of live vaccine more attractive than subunit or non replicating virus vaccines. Understanding of the molecular mechanisms by which an attenuated SARS-CoV reverted to a virulent phenotype could also be applied to the development of other relevant CoVs vaccines, such as MERS-CoV.


The Feasibility of Genetic Engineering to Produce More Potent Lantibiotics

RiPPs Recombinant Expression for Classical Engineering—Nisin as an Example

A wide range of technologies are at our disposal for producing a peptide such as chemical synthesis, recombinant DNA technologies, and في المختبر translation systems. The choice of a strategy for gene-encoded peptide production is largely determined by their size and chemical complexity. Peptides with sophisticated PTMs-generated structures such as RiPPs are preferably produced biosynthetically using host expression cells. Host cells with installed and functional PTM enzymes should be able to express RiPPs in an intact active form with distinctive architecture dominated by lanthionine bridges. In this context, the absence of a widely used large-scale production platform for lantibiotics with consistent quality is one of the main drawbacks of their therapeutic application.

There are generally two options for recombinant expression of lantibiotics, homologous or heterologous expression systems. Homologous expression strategies have limited use in particular due to the difficulty of cultivating the original producers (Maffioli et al., 2015 Mohr et al., 2015) and/or the difficulty of lantibiotics expression induction under laboratory conditions (Wescombe et al., 2011 Garg et al., 2012). Conversely, heterologous biosynthesis with host cells such as المكورات اللبنية, Bacillus subtilis, بكتيريا سيريوس العصويه، و بكتريا قولونية are normally preferred and, in many cases, well established. So far, several genetically manipulatable ستربتوميسيس strains, including Streptomyces lividans (Ahmed et al., 2020), S. albus (Myronovskyi et al., 2018), S. coelicolor M145 (Gomez-Escribano and Bibb, 2011), S. venezuelae ATCC 15439 (Kim et al., 2015), S. avermitilis (Komatsu et al., 2010) have been reported to synthesize natural products from genetically engineered biosynthetic gene clusters. لكن، الإشريكية القولونية is still the most common and attractive option. A list of successful examples of recombinant expression of different RiPPs families in heterologous hosts such as بكتريا قولونية و ستربتوميسيس strains were recently compiled by Zhang and colleagues (Zhang et al., 2018). Heterologous production of lantibiotics is generally conducted as inactive form of the antimicrobial peptide (pre-lantibiotic) to prevent any detrimental effects on host cell growth and viability.

In addition, there is great interest to express lantibiotics in microbial host that should facilitate a straightforward and efficient engineering (Kuipers et al., 1996). Numerous conventional protein engineering approaches such as site-directed mutagenesis, directed evolution and various computational tools aid synthetic biologists and biochemists to selectively diversify the properties of expressed therapeutic peptides. These include manipulations of thermodynamic stability, increased bioavailability, reduced aggregation or enhanced specificity and proteolytic stability (Adhikari et al., 2019). In addition, the implementation of في المختبر و في الجسم الحي approaches in combination with genome mining data and high-throughput screening strategies has opened up unprecedented opportunities to modify and even improve antimicrobial activity, manipulate the physicochemical properties and widening of the antibacterial spectrum in the production of lantibiotics (Field et al., 2015). Recently an attempt to design and biosynthesize a two-lipid II binding motifs-containing lantibiotic, called TL19, is the latest example showing 64-fold stronger activity against المكورات المعوية البرازية than nisin (Zhao et al., 2020).

The potential of classical protein engineering in complex RiPPs is perhaps best illustrated by recombinant nisin, well known for its broad-spectrum antibacterial activity produced in certain strains of L. اللاكتيس (Lubelski et al., 2008). Nisin as the most widely used lantibiotic in the food industry over the past 50 years has undergone various methods of bioengineering with an aim to improving its function and/or physicochemical features (Shin et al., 2016). To expand the scope of its activity, several bioengineered variants of nisin have been generated by site-directed mutagenesis and by classical chemical modifications (Ross et al., 2012), including في المختبر chemical synthesis (Knerr and van der Donk, 2012 Koopmans et al., 2015). For example, the use of the saturation mutagenesis approach has led to the production of nisin S29 derivatives with increased activity against a number of Gram-positive antibiotic-resistant pathogens. In addition, the increased antimicrobial activity was generated in comparison to the wild type nisin A when tested against Gram-negative food-borne pathogens (Field et al., 2012). Moreover, recombinant production of the nisin Z mutants N20K, M21K, N27K, H31K improved peptide solubility at alkaline pH (Rollema et al., 1995). Next, residue alterations at distinct locations enabled the improvement of antimicrobial activity (Islam et al., 2009 Healy et al., 2013 Geng and Smith, 2018), the enhancement of diffusion through complex polymers (Rouse et al., 2012), and widening effect on some Gram-negative bacteria (Field et al., 2012).

Studies on the effects of the hinge region (NMK) length between rings C and D on antimicrobial activity and host specificity of nisin was also performed (Zhou et al., 2015). Although most variants with shorter or larger hinge length are less active than the wild type, some variants (+2, +1, 𢄡, 𢄢) exhibited higher antimicrobial activity than the wild type nisin A in agar-well-diffusion assays against L. اللاكتيس MG1363, الليسترية المستوحدة, Enterococcus faecalis VE14089, Bacillus sporothermodurans IC4, and بكتيريا سيريوس العصويه 4153. In addition, an extended nisin A variant of the hinge region (20NMKIV24) has been introduced, bypassing the human pathogen’s lantibiotic resistance while showing a slight decrease in antimicrobial activity (Zaschke-Kriesche et al., 2019). In this context, Figure 3 represents different variants of nisin produced by classical protein engineering together with a graphical representation of the mechanism of action of this bioactive peptide.

Figure 3. Nisin is one of the best-studied ribosomally synthesized, pore-forming, cationic, antimicrobial peptides. (أ) Sequence comparison of three nisin variants from L. اللاكتيس and marking the important regions of nisin targeted for bioengineering by classical molecular biology approaches (Chatterjee et al., 2005) (ب) two-steps mode of action of nisin.

However, the expression of lantibiotics in popular prokaryotic hosts like بكتريا قولونية is challenging as these bacteria have no enzymes to perform suitable PTMs to convert pro-peptide into a mature bioactive peptide. Therefore, their recombinant expression has to be coupled with the co-expression of active PTM biosynthetic gene clusters either في المختبر أو في الجسم الحي. These strategies are not in the focus of our study and interested readers are directed to numerous studies and reviews dedicated to this topic (Zhang et al., 2018 Myronovskyi and Luzhetskyy, 2019). We are mainly concerned with the في الجسم الحي design strategies that focus to expand the functional scope of AMPs from ribosomal templates beyond the classical protein engineering approaches.

Beyond Classical Protein Engineering: Expanding the Scope of Protein Translation

It was argued that chemical and functional diversity delivered by PTMs in AMPs such as lantibiotics can be further supplemented or even expanded by the co-translational insertion of non-canonical amino acids (ncAAs) (Budisa, 2013). Indeed, a limited and conservative set of 20 canonical amino acids used by ribosomes to encode polypeptides in nature usually does not cover enough chemical space required to substantially expand their functional and structural diversity. In nature, this is normally achieved by site-selective PTMs that create special non-canonical amino acid side chains such as dehydroalanine (Dha) and dehydrobutyrine (Dhb) in lantibiotics (Figure 3). To directly mimic these and similar PTMs, chemists used, e.g., rhodium-catalyzed arylations (Key and Miller, 2017), P450-catalyzed cyclopropanations (Gober et al., 2017), and photocatalytic activation (de Bruijn and Roelfes, 2018) in thiopeptides, as well as metalloporphyrin-catalyzed alkylation of methionine in nisin (Maaskant and Roelfes, 2019) as attempts to obtaining novel AMPs with improved properties and/or activities. However, it is difficult to mimic PTM machinery chemically, whereas classical peptide synthetic protocols such as solid-phase peptide synthesis (SPPS) could not cover the chemical complexity of these natural products.

Therefore, the use of recombinant DNA technology that operates with heterologous expression of biosynthetic gene clusters and enriched with reprogrammed protein translation (Figure 4) can provide a reasonable solution to the above-mentioned problems (Hoesl and Budisa, 2012). It enables specific insertion of the biological, chemical, and physical properties delivered by ncAAs that can be accurately defined by the chemist at the bench. Cells equipped with various bioorthogonal chemistries have the potential to perform catalytic transformations that are not found in biology, including the creation of new metabolic and informational pathways (Devaraj, 2018). These modifications can also serve as redox sensors, spectroscopic markers (e.g., spin-labeling) or sensors of protein-ligand interactions. Metal-binding amino acids could lead to new structural, catalytic, or regulatory elements in proteins, while diazirines allow site-specific photo-crosslinking of the target protein to its substrate. Photoactive and photo-isomerizable ncAAs with novel photo-physical properties such as azobenzene side chains can be used to photo-regulate protein activity. Similarly, photocaged ncAAs can be activated by light to turn on enzymatic activity spatiotemporally (for review see Young and Schultz, 2010).

الشكل 4. The radial arrangement of the standard genetic code in RNA format (أ) with the side chains of 20 canonical amino acids (cAA). The standard amino acid repertoire of the genetic code can be modified or expanded (ب) by non-canonical amino acids (ncAAs). By reprogramming protein translation, the ncAAs can be incorporated into recombinant proteins using في الجسم الحي و في المختبر أساليب. These insertions offer useful modifications that can be made to the protein main chain (backbone) and the amino acid side chains (aliphatic or aromatic). Modified backbones and side chains often have unique physicochemical properties with the potential to dramatically expand the chemical and functional space of ribosomally synthesized peptides and proteins.

Directed evolution of aminoacyl-tRNA synthase (aaRS) plays a key role in the generation of such molecular tools. Desired ncAAs can be incorporated in a site-directed manner by reading in-frame stop codons, usually amber stop codons (UAG) with a suitable orthogonal pair (o-pair). Such a pair consists of an aaRS enzyme to activate the ncAA and its associated orthogonal tRNA (vide infra). However, the transition to recombinant production with such a possibility by using heterologous expression hosts is not trivial. For that reason, the residue-specific replacement of a particular amino acid at all positions in a protein sequence (known as selective pressure incorporation, vide infra) is a reasonable alternative as it does not require o-pairs (Budisa, 2004). Finally, the capacity of ncAAs incorporation should not interfere with the sequence of posttranslational modifications leading to the formation of lantibiotics and the restoration of their bioactivity.

With such systems in hands we would have very sophisticated tools to rationally engineer RiPPs scaffolds as now they can be redesigned by reprogrammed protein translation which utilize various ncAAs. This approach would have many advantages over the above discussed classical chemical or recombinant approaches as it enables: (i) genetic encoding of desired ncAAs and its sequence positioning (ii) recombinant production under mild conditions at room temperature and atmospheric pressure (iii) the targeted functionalization (e.g., various site-directed bioconjugations, light induced cross-linking, metal or cofactor binding, fluorophore or pharmacophore attachment, adhesiveness, etc.) (Cropp and Schultz, 2004). Crucial requirements to expand the scope of protein synthesis with ncAAs should be cellular uptake, their intracellular metabolic stability and translational activity (i.e., incorporation). Finally, it is necessary to reallocate (reassign) coding triplets (codons) in the genetic code to insert ncAAs in target protein/peptide sequences.


References and Notes

Epidemiologic investigations of amyotrophic lateral sclerosis. I. Preliminary report on geographic distribution, with special reference to the Mariana Islands, including clinical and pathologic observations. علم الأعصاب 4(5):355-378 1954 . http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/13185376

The isolation and characterization of β-ن-oxalyl-ʟ-α,β-diaminopropionic acid: a neurotoxin from the seeds of Lathyrus sativus. الكيمياء الحيوية 3 (3):432-436( 1964 . http://dx.doi.org/10.1021/bi00891a022

The discovery of BMAA, and examples of biomagnifications and protein incorporation involving other non-protein amino acids. Amyotroph Lateral Scler 10(suppl 2):21-25 2009 . http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19929727

Distribution and toxicity of α-amino-β-methylaminopropionic acid. Fed Proc 31(5):1473-1475 1972 . http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/5056173

Selective degeneration of cerebellar cortical neurons caused by cycad neurotoxin, ʟ-β-methylaminoalanine (ʟ-BMAA), in rats. Neuropathol Appl Neurobiol 16(2):153-169 1990 . http://dx.doi.org/10.1111/j.1365-2990.1990.tb00944.x

2-Amino-3-(methylamino)-propanoic acid (BMAA) in cycad flour: an unlikely cause of amyotrophic lateral sclerosis and parkinsonism-dementia of Guam. علم الأعصاب 40(5):767-772 1990 . http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2330104

Cycad neurotoxins, consumption of flying foxes, and ALS-PDC disease in Guam. علم الأعصاب 58(6):956-959 2002 . http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11914415

Biomagnification of cyanobacterial neurotoxins and neurodegenerative disease among the Chamorro people of Guam. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 100(23):13380-13383 2003 . http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2235808100

Biomagnification of cycad neurotoxins in flying foxes: implications for ALS-PDC in Guam. علم الأعصاب 61(3):387-389 2003 . http://dx.doi.org/10.1212/01.WNL.0000078320.18564.9F

Occurrence of β-methylamino-ʟ-alanine (BMAA) in ALS/PDC patients from Guam. Acta Neurol Scand 110(4):267-269 2004 . http://dx.doi.org/10.1111/j.1600-0404.2004.00320.x

Blooms like it hot. علم 320(5872):57-58 2008 . http://dx.doi.org/10.1126/science.1155398

Diverse taxa of cyanobacteria produce β-ن-methylamino-ʟ-alanine, a neurotoxic amino acid. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 102(14):5074-5078 2005 . http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0501526102

Cyanobacterial neurotoxin BMAA in ALS and Alzheimer’s disease. Acta Neurol Scand 120(4):216-225 2009 . http://dx.doi.org/10.1111/j.1600-0404.2008.01150.x

Sports and trauma in amyotrophic lateral sclerosis revisited. علوم نيورول ي 262(1-2):45-53 2007 . http://dx.doi.org/10.1016/j.jns.2007.06.021

An adverse property of a familial ALS-linked SOD1 mutation causes motor neuron disease characterized by vacuolar degeneration of mitochondria. عصبون 14(6):1105-1116 1995 . http://dx.doi.org/10.1016/0896-6273(95)90259-7

Lack of cerebral BMAA in human cerebral cortex. علم الأعصاب 72 (15))1360-1361( 2009 . http://dx.doi.org/10.1212/WNL.0b013e3181a0fed1

Lack of β-methylamino-ʟ-alanine in brain from controls, AD, or Chamorros with PDC. علم الأعصاب 65(5):768-769 2005 . http://dx.doi.org/10.1212/01.wnl.0000174523.62022.52

Response to article by Montine TJ, et al.: Lack of β-methylamino-ʟ-alanine in brain from controls, AD, or Chamorros with PDC. علم الأعصاب 65(5):768-769 2005 . http://dx.doi.org/10.1212/01.wnl.0000174523.62022.52

Reply from the authors. علم الأعصاب 65(5):768-769 2005 . http://dx.doi.org/10.1212/01.wnl.0000174523.62022.52

A mechanism for slow release of biomagnified cyanobacterial neurotoxins and neurodegenerative disease in Guam. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 101(33):12228-12231 2004 . http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0404926101

Distinguishing the cyanobacterial neurotoxin β-ن-methylamino-ʟ-alanine (BMAA) from its structural isomer 2,4-diaminobutyric acid (2,4-DAB). السمية 56(6):868-879 2010 . http://dx.doi.org/10.1016/j.toxicon.2010.06.006

Distinguishing the cyanobacterial neurotoxin β-ن-methylamino-ʟ-alanine (BMAA) from other diamino acids. السمية 57(5):730-738 2011 . http://dx.doi.org/10.1016/j.toxicon.2011.02.005

Editing-defective tRNA synthetase causes protein misfolding and neurodegeneration. طبيعة سجية 443(7107):50-55 2006 . http://dx.doi.org/10.1038/nature05096

Misincorporation of amino acid analogues into proteins by biosynthesis. Int J Biochem Cell Biol 40(8):1452-1466 2008 . http://dx.doi.org/10.1016/j.biocel.2008.01.009

Biosynthetic incorporation of oxidized amino acids into proteins and their cellular proteolysis. Free Rad Biol Med 32(8):766-775 2002 . http://dx.doi.org/10.1016/S0891-5849(02)00768-2

Evidence for ʟ-dopa incorporation into cell proteins in patients treated with levodopa. ي نيوروتشيم 98(4):1061-1067 2006 . http://dx.doi.org/10.1111/j.1471-4159.2006.03941.x

Translational incorporation of ʟ-3,4-dihydroxyphenylalanine into proteins. FEBS J 272(12):3162-3171 2005 . http://dx.doi.org/10.1111/j.1742-4658.2005.04735.x

Protein aggregation and neurodegenerative disease. نات ميد 10(suppl):S10-S17 2004 . http://dx.doi.org/10.1038/nm1066

Prion-like propagation of cytosolic protein aggregates: insights from cell culture models. بريون 3(4):206-212 2009 . http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2807693/

Dysregulation of the ALS-associated gene TDP-43 leads to neuronal death and degeneration in mice. ياء كلين إنفست 121(2):726-738 2011 . http://dx.doi.org/10.1172/JCI44867

BMAA selectively injures motor neurons via AMPA/kainate receptor activation. Exp Neurol 201(1):244-252 2006 . http://dx.doi.org/10.1016/j.expneurol.2006.04.017

Depletion of reduced glutathione enhances motor neuron degeneration في المختبر و في الجسم الحي. علم الأعصاب 144(3):991-1003 2007 . http://dx.doi.org/10.1016/j.neuroscience.2006.09.064

Cyanobacterial blooms and the occurrence of the neurotoxin, beta-ن-methylamino-ʟ-alanine (BMAA), in South Florida aquatic food webs. Harmful Algae 9(6):620-635 2010 . http://dx.doi.org/10.1016/j.hal.2010.05.002

Toxin mixture in cyanobacterial blooms—a critical comparison of reality with current procedures employed in human health risk assessment. Adv Exp Med Biol 619:885-912 2008 . http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18461795

Cyanobacteria and BMAA exposure from desert dust: a possible link to sporadic ALS among Gulf War veterans. Amyotroph Lateral Scler 10(Suppl 2):109-117 2009 . http://dx.doi.org/10.3109/17482960903286066

β-ن-methylamino-ʟ-alanine (BMAA) in novel South African cyanobacterial isolates. Ecotoxicol Environ Saf 71(2):309-313 2008 . http://dx.doi.org/10.1016/j.ecoenv.2008.04.010

A cluster of amyotrophic lateral sclerosis in New Hampshire: a possible role for toxic cyanobacteria blooms. Amyotroph Lateral Scler 10(suppl 2):101-108 2009 . http://dx.doi.org/10.3109/17482960903278485

Early hippocampal cell death, and late learning and memory deficits in rats exposed to the environmental toxin BMAA (β-ن-methylamino-ʟ-alanine) during the neonatal period. Behav Brain Res 219(2):310-20 2011 .


First Life with "Alien" DNA Created in Lab

For billions of years, the history of life has been written with just four letters &mdash A, T, C and G, the labels given to the DNA subunits contained in all organisms. That alphabet has just grown longer, researchers announce, with the creation of a living cell that has two 'foreign' DNA building blocks in its genome.

Hailed as a breakthrough by other scientists, the work is a step towards the synthesis of cells able to churn out drugs and other useful molecules. It also raises the possibility that cells could one day be engineered without any of the four DNA bases used by all organisms on Earth.

&ldquoWhat we have now is a living cell that literally stores increased genetic information,&rdquo says Floyd Romesberg, a chemical biologist at the Scripps Research Institute in La Jolla, California, who led the 15-year effort. Their research appears online today in طبيعة سجية.

Each strand of the DNA's double helix has a backbone of sugar molecules and, attached to it, chemical subunits known as bases. There are four different bases: adenine (A), thymine (T), cytosine (C) and guanine (G). These letters represent the code for the amino-acid building blocks that make up proteins. The bases bind the two DNA strands together, with an A always bonding to a T on the opposite strand (and vice versa), and C and G doing likewise.

Test-tube letters
Scientists first questioned whether life could store information using other chemical groups in the 1960s. But it wasn&rsquot until 1989 that Steven Benner, then at the Swiss Federal Institute of Technology in Zurich, and his team coaxed modified forms of cytosine and guanine into DNA molecules. In test-tube reactions, strands made of these &ldquofunny letters&rdquo, as Benner calls them, copied themselves and encoded RNA and proteins.

The bases engineered by Romesberg&rsquos team are more alien, bearing little chemical resemblance to the four natural ones, Benner says. In a 2008 paper, and in follow-up experiments, the group reported efforts to pair chemicals together from a list of 60 candidates and screen the 3,600 resulting combinations. They identified a pair of bases, known as d5SICS and dNaM, that looked promising. In particular, the molecules had to be compatible with the enzymatic machinery that copies and translates DNA.

&ldquoWe didn&rsquot even think back then that we could move into an organism with this base pair,&rdquo says Denis Malyshev, a former graduate student in Romesberg&rsquos lab who is first author of the new paper. Working with test-tube reactions, the scientists succeeded in getting their unnatural base pair to copy itself and be transcribed into RNA, which required the bases to be recognized by enzymes that had evolved to use A, T, C and G.

The first challenge to creating this alien life was to get cells to accept the foreign bases needed to maintain the molecule in DNA through repeated rounds of cell division, during which DNA is copied. The team engineered the bacterium الإشريكية القولونية to express a gene from a diatom &mdash a single-celled alga &mdash encoding a protein that allowed the molecules to pass through the bacterium's membrane.

The scientists then created a short loop of DNA, called a plasmid, containing a single pair of the foreign bases, and inserted the whole thing into بكتريا قولونية الخلايا. With the diatom protein supplying a diet of foreign nucleotides, the plasmid was copied and passed on to dividing بكتريا قولونية cells for nearly a week. When the supply of foreign nucleotides ran out, the bacteria replaced the foreign bases with natural ones.

Alien control
Malyshev sees the ability to control the uptake of foreign DNA bases as a safety measure that would prevent the survival of alien cells outside the lab, should they escape. But other researchers, including Benner, are trying to engineer cells that can make foreign bases from scratch, obviating the need for a feedstock.

Romesberg&rsquos group is working on getting foreign DNA to encode proteins that contain amino acids other than the 20 that together make up nearly all natural proteins. Amino acids are encoded by 'codons' of three DNA letters apiece, so the addition of just two foreign DNA 'letters' would vastly expand a cell&rsquos ability to encode new amino acids. &ldquoIf you read a book that was written with four letters, you&rsquore not going to be able to tell many interesting stories,&rdquo Romesberg says. &ldquoIf you&rsquore given more letters, you can invent new words, you can find new ways to use those words and you can probably tell more interesting stories.&rdquo

Potential uses of the technology include the incorporation of a toxic amino acid into a protein to ensure that it kills only cancer cells, and the development of glowing amino acids that could help scientists to track biological reactions under the microscope. Romesberg&rsquos team has founded a company called Synthorx in San Diego, California, to commercialize the work.

Ross Thyer, a synthetic biologist at the University of Texas at Austin who co-authored a related News and Views article, says that the work is &ldquoa big leap forward in what we can do&rdquo. It should be possible to get the foreign DNA to encode new amino acids, he says.

&ldquoMany in the broader community thought that Floyd's result would be impossible,&rdquo says Benner, because chemical reactions involving DNA, such as replication, need to be exquisitely sensitive to avoid mutation.

The alien بكتريا قولونية contains just a single pair of foreign DNA bases out of millions. But Benner sees no reason why a fully alien cell isn&rsquot possible. &ldquoI don&rsquot think there&rsquos any limit,&rdquo he says. &ldquoIf you go back and rerun evolution for four billion years, you could come up with a different genetic system.&rdquo

But creating a wholly synthetic organism would be a huge challenge. &ldquoA lot of times people will say you&rsquoll make an organism completely out of your unnatural DNA,&rdquo says Romesberg. &ldquoThat&rsquos just not going to happen, because there are too many things that recognize DNA. It&rsquos too integrated into every facet of a cell&rsquos life.&rdquo

This article is reproduced with permission from the magazine Nature. The article was first published on May 7, 2014.


استنتاج

It has been a great pleasure to see our science grow in many new and exciting ways over the past few years. I have been fortunate to have very talented people come to my laboratory from a wide range of backgrounds, from total chemical synthesis to transgenic animals, through biochemistry, genetics, molecular evolution, structural biology and cell biology, and to be surrounded by some great collaborators. It has been a great pleasure to learn from everyone in the laboratory and to watch people in the laboratory learn from each other.

I believe that we are training a new generation of scientists who can seamlessly engineer across a range of scales from molecules to systems. They can engineer the specificity of biological networks and biological molecules as well as control the structures of small molecules atom by atom. By coupling these abilities, we have begun to provide solutions to problems previously viewed as intractable. I hope that the people that invested in training me get satisfaction from seeing the fragments of everything I learned from them fused to create something new, and I look forward to being surprised and excited by what the extraordinarily talented alumni that are beginning to emerge from my laboratory may do in the future.


Scientists direct bacteria with expanded genetic code to evolve extreme heat tolerance

الإشريكية القولونية. Credit: Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH

In recent years, scientists have engineered bacteria with expanded genetic codes that produce proteins made from a wider range of molecular building blocks, opening up a promising front in protein engineering.

Now, Scripps Research scientists have shown that such synthetic bacteria can evolve proteins in the laboratory with enhanced properties using mechanisms that might not be possible with nature's 20 amino acid building blocks.

Exposing bacteria with an artificially expanded genetic code to temperatures at which they cannot normally grow, the researchers found that some of the bacteria evolved new heat-resistant proteins that remain stable at temperatures where they would typically inactivate. The researchers reported their findings in the مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية (JACS).

Virtually every organism on earth uses the same 20 amino acids as the building blocks to make proteins—the large molecules that carry out the majority of cellular functions. Peter Schultz, Ph.D., the senior author of the JACS paper and president and CEO of Scripps Research, pioneered a method to reprogram the cell's own protein biosynthetic machinery to add new amino acids to proteins, termed non-canonical amino acids (ncAAs), with chemical structures and properties not found in the common 20 amino acids.

This expanded genetic code has been used in the past to rationally design proteins with novel properties for use as tools to study how proteins work in cells and as new precision-engineered drugs for cancer. The researchers now asked whether synthetic bacteria with expanded genetic codes have an evolutionary advantage over those that are limited to 20 building blocks—is a 21 amino acid code better than a 20 amino acid code from an evolutionary fitness perspective?

"Ever since we first expanded the range of amino acids that can be incorporated in proteins, much work has gone into using these systems to engineer molecules with new or enhanced properties," says Schultz. "Here, we've shown that combining an expanded genetic code with a laboratory evolution one can create proteins with enhanced properties that may not be readily achievable with nature's more limited set."

The scientists started by tweaking the genome of بكتريا قولونية so that the bacteria could produce the protein homoserine o-succinyltransferase (metA) using a 21 amino acid code instead of the common 20 amino acid code. An important metabolic enzyme, metA dictates the maximum temperature at which بكتريا قولونية can thrive. Above that temperature, metA begins to inactivate and the bacteria die. The researchers then made mutants of metA, in which almost any amino acid in the natural protein could be replaced with a 21st noncanonical amino acid.

At this point, they let natural selection—the central mechanism of evolution—work its magic. By heating the bacteria to 44 degrees Celsius—a temperature at which normal metA protein cannot function, and as a consequence, bacteria cannot grow—the scientists put selective pressure on the bacteria population. As expected, some of the mutant bacteria were able to survive beyond their typical temperature ceiling, thanks to possessing a mutant metA that was more heat stable—all other bacteria died.

In this way, the researchers were able to drive the bacteria to evolve a mutant metA enzyme that could withstand temperatures 21 degrees higher than normal, nearly twice the thermal stability increase that people typically achieve when restricted to mutations limited to the common 20 amino acid building blocks.

The researchers then identified the specific genetic sequence change that resulted in the mutant metA and found it was due to the unique chemical properties of one of their noncanonical amino acids that laboratory evolution exploited in a clever way to stabilize the protein.

"It's striking how making such a small mutation with a new amino acid not present in nature leads to such a significant improvement in the physical properties of the protein," says Schultz.

"This experiment raises the question of whether a 20 amino acid code is the optimal genetic code—if we discover life forms with expanded codes will they have an evolutionary advantage, and what would we be like if God had worked on the seventh day and added a few more amino acids to the code?"


شاهد الفيديو: Overview on Amino acid metabolism شرح بالعربي لمصير الأمينو أسيد (شهر اكتوبر 2022).