211service.com
Skapa celldelar från grunden
Forskare vid Harvard University har byggt en funktionell ribosom – cellens proteintillverkningsmaskin – från grunden, molekyl för molekyl. Skapelsen representerar ett viktigt steg mot att skapa konstgjort liv, och det kan i slutändan fylla ett stort tomrum i vår förståelse av livets ursprung. Men forskarna som tillverkade ribosomen är mest intresserade av dess industriella tillämpningar. De planerar att genetiskt mixtra med det molekylära maskineriet så att det kan göra proteiner mer effektivt, såväl som proteiner som är spegelbilden av de som vanligtvis finns i naturen. Båda förbättringarna kan vara en stor fördel inom bland annat läkemedelsindustrin.
Proteinfabrik: Här visas strukturen av en ribosom, den cellulära struktur som producerar proteiner. Forskare har nu skapat en ribosom från grunden.
För att göra ribosomerna, George kyrka , en Harvard-genetiker, och postdoktorn Mike Jewett demonterade först ribosomer från Escherichia coli , en vanlig labbbakterie, in i dess molekyler. De använde sedan enzymer för att sätta ihop de olika RNA- och proteinkomponenterna igen. När de sattes ihop i ett provrör bildades dessa komponenter spontant till funktionella ribosomer. Medan forskare tidigare har rekonstituerat ribosomer, som består av en komplex konfiguration av RNA och proteiner, så långt tillbaka som på 1960-talet, var dessa tidigare versioner dåliga proteinproducenter och skapades under kemiska förhållanden som var mycket annorlunda än en normal cell.
Forskarna använde den konstgjorda ribosomen för att framgångsrikt producera luciferasenzymet, ett eldflugeprotein som genererar insektens glöd. Så småningom, säger Church, vill han skapa små proteinfabriker av skräddarsydda ribosomer. Vi vill göra stora mängder speciella proteiner som är svåra att tillverka in vivo, och som är användbara för vaccinproduktion [och andra ändamål].
Därefter vill forskarna skapa en ribosom som kan återskapa sig själv. De har sammanställt en lista med 151 gener som de tror behövs för en självreproducerande ribosom, inklusive gener för ribosomala proteiner, olika typer av RNA, enzymer som katalyserar olika reaktioner i proteinsyntesen och ytterligare gener som inte är direkt relaterade till ribosomen. Vi tror att det här är tillräckligt med gener för att replikera DNA, producera RNA och ribosomer och ha ett primitivt membran, säger Church. När du väl får igång det borde det kunna fortsätta om du förser det med aminosyror och nukleotider [byggstenarna] av DNA och RNA].
När de väl fått igång systemet hoppas forskarna att genetiskt optimera det till en effektiv proteinfabrik. Proteinprodukter, såsom biologiska läkemedel, tillverkas nu mestadels i kar med bakterier. När du gör proteiner i levande bakterier slänger du 90 procent av bakteriebiomassan bara för att få i dig några gram protein, säger David Deamer , en kemist vid University of California, Santa Cruz. Om du kunde göra det utan levande organismer skulle det kunna vara mycket effektivare.
Rekonstituerande ribosomer: Här visas en dellista för att skapa en syntetisk, självreplikerande ribosom. Proteiner visas i lila, RNA i rött och DNA i blått. Listan inkluderar 54 ribosomala proteiner, såväl som RNA-baserade enzymer involverade i proteinproduktion, och andra molekyler som interagerar med ribosomer.
Church och hans team vill också använda ribosomen för att göra en ny klass av proteiner - de som är spegelbilden av de proteiner som finns i naturen. Proteiner och många andra molekyler har en handedness, eller kiralitet, till sin struktur. Aminosyror som tillverkas i naturen är nästan uteslutande vänsterhänta. Och precis som en handske bara passar på en hand, kan vänsterhänta enzymer bara katalysera reaktioner av substrat med korrekt handenhet. Det betyder att spegelbildsmolekyler skulle vara resistenta mot nedbrytning av vanliga enzymer, säger Church. Det kan ha viktiga industriella tillämpningar, generera långvariga enzymer för biofermentering, som används för att skapa biobränslen och andra produkter.
Läkemedelsindustrin kan också dra nytta av en metod för att göra spegelbildsmolekyler. Till skillnad från biologisk syntes producerar kemisk syntes en blandning av vänster- och högerhänta molekyler. Men med många droger – det mest ökända exemplet är talidomid – är en form fördelaktig och den andra skadlig. Det är dyrt att separera de två versionerna, så ett effektivt alternativ som gör precis den önskade formen från början kan vara en välsignelse för tillverkarna. Church och Jewett har ännu inte gjort ett spegelbildsprotein med deras syntetiska ribosom, men de säger att det kan göras bara genom att justera några molekyler i enzymet som förenar aminosyror till proteiner.
Den konstgjorda ribosomen har också mycket bredare tillämpningar. Det är ett stort steg på vägen mot att skapa artificiellt liv – en cell som kan självmontera och föröka sig. Forskare vill skapa en organism från grunden både för att bättre förstå biologins inre funktioner och för att skapa nya, mycket manipulerbara livsformer som kan användas för att tillverka nya bränslen, rensa upp gifter eller utföra andra användbara funktioner.
Dessutom kan ribosomen lösa stora obesvarade frågor om livets ursprung. Hur utvecklades de första ribosomerna eller motsvarande struktur på vägen till livet som vi känner det? Detta är verkligen en stor lucka i vår förståelse av livets ursprung, säger Deamer. Om [kyrkan] kan manipulera delar för att göra en bättre eller enklare version av ribosomen, kommer det att lära oss mycket om hur ribosomer kom till. Och för det andra, varför har nästan allt liv en vänsterhänt chiralitet? Det är ett mysterium, säger Fred Blattner, en genetiker vid University of Wisconsin-Madison. Har det bara hänt på det sättet, eller finns det en anledning till att vi inte är medvetna om? Med en vänsterhänt ribosom kan svaret på frågan snart vara inom räckhåll.