Los ingenieros crean bacterias que pueden sintetizar un aminoácido no natural

Por Universidad de Delaware19 de julio de 2023

Los científicos han diseñado bacterias para producir pN-Phe, un aminoácido no estándar con posibles aplicaciones médicas. El trabajo futuro optimizará este proceso y explorará su potencial en vacunas e inmunoterapias.

Amino acids serve as the foundational elements of proteins, vital to the optimal functioning of biological structures. Proteins in all life forms are composed of 20 core amino acids<div class="cell text-container large-6 small-order-0 large-order-1"><div class="text-wrapper"><br />Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.<br /></div></div>" data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> aminoácidos. Sin embargo, la naturaleza ofrece una impresionante variedad de más de 500 aminoácidos distintos. Además, el ingenio humano ha creado una gran cantidad de aminoácidos sintéticos. Estos aminoácidos alternativos son prometedores en el desarrollo de tratamientos terapéuticos y farmacéuticos innovadores.

Now, University of Delaware researchers in the lab of Aditya Kunjapur, assistant professor in the College of Engineering’s Department of Chemical and Biomolecular Engineering, have engineered bacteria to synthesize an amino acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> ácido que contiene un grupo funcional poco común que otros han demostrado que tiene implicaciones en la regulación de nuestro sistema inmunológico. Los investigadores también enseñaron a una sola cepa bacteriana a crear el aminoácido y colocarlo en sitios específicos dentro de las proteínas objetivo. Estos hallazgos, publicados en Nature Chemical Biology, proporcionan una base para el desarrollo de vacunas e inmunoterapias únicas en el futuro.

El Kunjapur Lab utiliza herramientas de biología sintética e ingeniería genética para crear microorganismos que pueden sintetizar diferentes tipos de compuestos y moléculas, especialmente aquellos con grupos funcionales o propiedades que no están bien representadas en la naturaleza.

En este estudio, los investigadores se centraron en la para-nitro-L-fenilalanina (pN-Phe), un aminoácido no estándar que no es uno de los veinte aminoácidos estándar ni se ha observado en la naturaleza. Otros grupos de investigación han utilizado pN-Phe como herramienta para estimular el sistema inmunológico para que reaccione a proteínas que normalmente ignora.

"El grupo funcional químico nitro tiene propiedades valiosas y ha sido poco explorado por personas que intentan reconfigurar el metabolismo", dijo Kunjapur. “pN-Phe también tiene una buena historia en la literatura: puede agregarse a una proteína de un ratón, devolverse a los ratones y el sistema inmunológico ya no tolerará la versión original de esa proteína. Esa capacidad es prometedora para el tratamiento o la prevención de enfermedades causadas por proteínas rebeldes que el sistema inmunológico lucha por retener”.

Genetic code expansion methods allowed the researchers to increase the “alphabet” of available amino acids encoded by DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person’s body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> ADN. Combinando técnicas de ingeniería metabólica con expansión del código genético, los investigadores pudieron crear un sistema que produce proteínas nitradas de forma autónoma.

"Debido a la química del grupo funcional nitro, el aminoácido que elegimos como objetivo para este proyecto no era convencional, y muchos científicos de nuestro campo tal vez no esperaban que pudiera producirse mediante biosíntesis", dijo Kunjapur.

The next step for this research is to optimize their methods to synthesize higher amounts of nitrated proteins and expand this work into other microorganisms. The long-term goal is to further refine this platform for applications related to vaccines or immunotherapies, efforts that are supported by Kunjapur’s 2021 AIChE Langer Prize and the 2022 National Institutes of HealthThe National Institutes of Health (NIH) is the primary agency of the United States government responsible for biomedical and public health research. Founded in 1887, it is a part of the U.S. Department of Health and Human Services. The NIH conducts its own scientific research through its Intramural Research Program (IRP) and provides major biomedical research funding to non-NIH research facilities through its Extramural Research Program. With 27 different institutes and centers under its umbrella, the NIH covers a broad spectrum of health-related research, including specific diseases, population health, clinical research, and fundamental biological processes. Its mission is to seek fundamental knowledge about the nature and behavior of living systems and the application of that knowledge to enhance health, lengthen life, and reduce illness and disability." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Premio al Nuevo Innovador del Director de los Institutos Nacionales de Salud. Para respaldar aún más este objetivo a largo plazo, Kunjapur y Neil Butler, candidato a doctorado y primer autor de este artículo, cofundaron Nitro Biosciences.

"Creo que las implicaciones son interesantes, ya que se puede tomar el metabolismo central de una bacteria, su capacidad para producir diferentes compuestos, y con algunas modificaciones se puede ampliar su repertorio químico", dijo Butler. "La funcionalidad nitro es poco común en biología y está ausente en los 20 aminoácidos estándar, pero demostramos que el metabolismo bacteriano es lo suficientemente maleable como para poder reconfigurarlo para crear e integrar esta funcionalidad".

Kunjapur añadió: “Las bacterias son vehículos de administración de fármacos potencialmente útiles. Creemos que hemos creado una herramienta que podría aprovechar la capacidad de las bacterias para producir antígenos diana dentro del cuerpo y explotar la capacidad de la nitración para arrojar luz sobre esos antígenos al mismo tiempo”.

Referencia: “Una plataforma para la producción distribuida de proteínas nitradas sintéticas en bacterias vivas” por Neil D. Butler, Sabyasachi Sen, Lucas B. Brown, Minwei Lin y Aditya M. Kunjapur, 15 de mayo de 2023, Nature Chemical Biology.DOI: 10.1038/ s41589-023-01338-x

La investigación fue financiada por una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias.