211service.com
Celonderdelen vanaf nul maken
Onderzoekers van de universiteit van Harvard hebben een functioneel ribosoom – de eiwitmakende machine van de cel – helemaal opnieuw gebouwd, molecuul voor molecuul. De creatie vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van het maken van kunstmatig leven, en het zou uiteindelijk een grote leemte kunnen opvullen in ons begrip van de oorsprong van het leven. Maar de wetenschappers die het ribosoom hebben gemaakt, zijn het meest geïnteresseerd in de industriële toepassingen ervan. Ze zijn van plan genetisch te sleutelen aan de moleculaire machinerie, zodat het efficiënter eiwitten kan maken, evenals eiwitten die het spiegelbeeld zijn van die welke normaal in de natuur worden aangetroffen. Beide verbeteringen kunnen een groot voordeel zijn in onder meer de farmaceutische industrie.
Eiwitfabriek: Hier wordt de structuur van een ribosoom getoond, de cellulaire structuur die eiwitten produceert. Wetenschappers hebben nu vanuit het niets een ribosoom gemaakt.
Om de ribosomen te maken, George kerk , een geneticus van Harvard, en postdoctoraal onderzoeker Mike Jewett haalden eerst ribosomen uit Escherichia coli , een gewone laboratoriumbacterie, in zijn samenstellende moleculen. Vervolgens gebruikten ze enzymen om de verschillende RNA- en eiwitcomponenten weer bij elkaar te brengen. Wanneer ze in een reageerbuis werden samengevoegd, vormden deze componenten spontaan functionele ribosomen. Terwijl wetenschappers al in de jaren zestig ribosomen hebben gereconstitueerd, die bestaan uit een complexe configuratie van RNA en eiwitten, waren deze eerdere versies slechte eiwitproducenten en werden ze gemaakt onder chemische omstandigheden die heel anders waren dan die van een normale cel.
De onderzoekers gebruikten het kunstmatige ribosoom om met succes het luciferase-enzym te produceren, een vuurvliegeiwit dat de gloed van de bug genereert. Uiteindelijk wil hij, zegt Church, piepkleine eiwitfabriekjes maken van op maat gemaakte ribosomen. We willen grote hoeveelheden speciale eiwitten maken die in vivo moeilijk te maken zijn en bruikbaar zijn voor de productie van vaccins [en andere doeleinden].
Vervolgens willen de onderzoekers een ribosoom maken dat zichzelf opnieuw kan creëren. Ze hebben een lijst samengesteld van 151 genen waarvan ze denken dat ze nodig zijn voor een zelfreproducerend ribosoom, waaronder genen voor ribosomale eiwitten, verschillende soorten RNA's, enzymen die verschillende reacties in de eiwitsynthese katalyseren en aanvullende genen die niet direct gerelateerd zijn aan het ribosoom. We denken dat dit genoeg genen zijn om DNA te repliceren, RNA en ribosomen te produceren en een primitief membraan te hebben, zegt Church. van DNA en RNA].
Als ze het systeem eenmaal aan de praat krijgen, hopen de onderzoekers het genetisch te optimaliseren tot een efficiënte eiwitfabriek. Eiwitproducten, zoals biologische medicijnen, worden nu meestal gemaakt in vaten met bacteriën. Als je eiwitten maakt in levende bacteriën, gooi je 90 procent van de bacteriële biomassa weg om maar een paar gram eiwit te krijgen, zegt David Deamer , een chemicus aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz. Als je het zou kunnen doen zonder levende organismen, zou het veel efficiënter kunnen zijn.
Reconstitueren van ribosomen: Hier wordt een onderdelenlijst weergegeven voor het maken van een synthetisch, zelfreplicerend ribosoom. Eiwitten worden weergegeven in paars, RNA in rood en DNA in blauw. De lijst bevat 54 ribosomale eiwitten, evenals op RNA gebaseerde enzymen die betrokken zijn bij de eiwitproductie, en andere moleculen die interageren met ribosomen.
Church en zijn team willen het ribosoom ook gebruiken om een nieuwe klasse eiwitten te maken - die het spiegelbeeld zijn van de eiwitten die in de natuur worden aangetroffen. Eiwitten en vele andere moleculen hebben een handigheid, of chiraliteit, voor hun structuur. Aminozuren die in de natuur worden gemaakt, zijn bijna uitsluitend linkshandig. En net zoals een handschoen maar aan één hand past, kunnen linkshandige enzymen reacties van substraten alleen katalyseren met de juiste handigheid. Dit betekent dat spiegelbeeldmoleculen resistent zouden zijn tegen afbraak door reguliere enzymen, zegt Church. Dat zou belangrijke industriële toepassingen kunnen hebben, waarbij langdurige enzymen worden gegenereerd voor biofermentatie, die worden gebruikt om biobrandstoffen en andere producten te maken.
Ook de farmaceutische industrie kan baat hebben bij een methode om spiegelbeeldmoleculen te maken. In tegenstelling tot biologische synthese produceert chemische synthese een mengsel van links- en rechtshandige moleculen. Maar bij veel medicijnen - het meest beruchte voorbeeld is thalidomide - is de ene vorm heilzaam en de andere schadelijk. Het is duur om de twee versies te scheiden, dus een efficiënt alternatief dat vanaf het begin precies de gewenste vorm geeft, kan een zegen zijn voor fabrikanten. Church en Jewett hebben nog geen spiegelbeeldig eiwit gemaakt met behulp van hun synthetische ribosoom, maar ze zeggen dat het kan worden gedaan door een paar moleculen te tweaken in het enzym dat aminozuren tot eiwitten verbindt.
Het kunstmatige ribosoom heeft ook veel bredere toepassingen. Het is een belangrijke stap op weg naar het creëren van kunstmatig leven - een cel die zichzelf kan assembleren en reproduceren. Wetenschappers willen een geheel nieuw organisme creëren, zowel om de innerlijke werking van de biologie beter te begrijpen als om nieuwe, zeer manipuleerbare levensvormen te creëren die kunnen worden gebruikt om nieuwe brandstoffen te maken, gifstoffen op te ruimen of andere nuttige functies uit te voeren.
Bovendien kan het ribosoom belangrijke onbeantwoorde vragen over de oorsprong van het leven oplossen. Hoe evolueerden de eerste ribosomen of de equivalente structuur op weg naar het leven zoals wij dat kennen? Dit is echt een grote leemte in ons begrip van de oorsprong van het leven, zegt Deamer. Als [Kerk] onderdelen kan manipuleren om een betere of eenvoudigere versie van het ribosoom te maken, zal het ons veel leren over hoe ribosomen zijn ontstaan. En ten tweede, waarom heeft bijna al het leven een linkshandige chiraliteit? Het is een mysterie, zegt Fred Blattner, een geneticus aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. Is het gewoon zo gegaan, of is er een reden die we niet kennen? Met een linkshandig ribosoom is het antwoord op de vraag misschien snel binnen handbereik.