Синтетические биологи, работающие над проектом армии США, разработали процесс, который может привести к созданию нового класса синтетических полимеров, которые могут создавать новые высокоэффективные материалы и терапевтические средства для солдат.

Nature Communications опубликовал исследование, проведенное финансируемыми из армии исследователями из Северо-Западного университета, которые разработали набор правил проектирования, чтобы руководствоваться тем, как рибосомы, клеточная структура, которая производит белок, могут включать новые виды мономеров, которые могут быть связаны с одинаковыми молекулами с образованием полимеров.

Эти результаты являются захватывающим шагом вперед к получению синтетических полимеров с определенной последовательностью, что было большой проблемой в области химии полимеров. Способность использовать и адаптировать клеточные механизмы для производства небиологических полимеров, по сути, приведет синтетические материалы к сфере биологических функций. Это может сделать передовые высокопроизводительные материалы, такие как наноэлектроника, самовосстанавливающиеся материалы и другие материалы, представляющие интерес для армии ».

Д-р. Даванн Пори, руководитель программы химии полимеров в Исследовательском бюро армии

Биологические полимеры, такие как ДНК, имеют точные последовательности строительных блоков, которые обеспечивают множество расширенных функций, таких как хранение информации и саморепликация. В этом проекте рассматривалось, как реорганизовать биологическое оборудование, чтобы оно могло работать с небиологическими строительными блоками, которые могли бы предложить путь к созданию синтетических полимеров с точностью биологии.

«Эти новые синтетические полимеры могут позволить разработать усовершенствованные средства индивидуальной защиты, сложную электронику, топливные элементы, современные солнечные элементы и нанотехнологии, которые являются ключевыми для защиты и производительности солдат», – сказал Пори.

«Мы намереваемся расширить ассортимент рибосомальных мономеров для синтеза белка, чтобы открыть новые направления в биопроизводстве», – сказал Майкл Джеветт, профессор педагогического мастерства Чарльза Диринга Маккормика, профессор химической и биологической инженерии и директор Центра по синтетической биологии в Школе Маккормика в Северо-Западном университете. «Что настолько волнительно, так это то, что мы узнали, что рибосома может вместить больше видов мономеров, чем мы ожидали, что создает основу для использования рибосомы в качестве общей машины для создания классов материалов и лекарств, которые ранее не были синтезированы».

Производство рекомбинантного белка рибосомой изменило жизнь миллионов людей благодаря синтезу биофармацевтических препаратов, таких как инсулин, и промышленных ферментов, которые используются в моющих средствах для стирки. Однако в природе рибосома включает только природные аминокислотные мономеры в белковые полимеры.

Чтобы расширить репертуар мономеров, используемых рибосомой, команда Джеветта решила определить правила дизайна для связывания мономеров с переносом рибонуклеиновой кислоты, известной как тРНК. Это потому, что получить рибосому для использования нового мономера не так просто, как ввести новый мономер в рибосому. Мономеры должны быть присоединены к тРНК, то есть к молекулам, которые переносят их в рибосому. Многие современные процессы присоединения мономеров к тРНК сложны и занимают много времени, но относительно новый процесс, называемый флексизимом, обеспечивает более простое и гибкое присоединение мономеров.

Чтобы разработать правила дизайна для использования флексизима, исследователи создали 37 мономеров, которые были новыми для рибосомы из разнообразного репертуара каркасов. Затем они показали, что мономеры, которые могут быть присоединены к тРНК, могут быть использованы для создания десятков новых пептидных гибридов. Наконец, они подтвердили свои правила конструирования, предсказуемо руководя поиском еще большего количества новых мономеров.

«С новыми правилами проектирования мы показываем, что мы можем избежать методов проб и ошибок, которые исторически были связаны с разработкой новых мономеров для использования в рибосоме», – сказал Джеветт.

Эти новые правила дизайна должны ускорить темпы, с помощью которых исследователи могут включать новые мономеры, что в конечном итоге приведет к новым биопродуктам, синтезируемым рибосомой. Например, материалы, изготовленные из устойчивых к протеазам мономеров, могут привести к появлению противомикробных препаратов, которые борются с повышением устойчивости к антибиотикам.

Данное исследование является частью программы Исследовательских инициатив междисциплинарных университетов Министерства обороны США при поддержке ARO, в рамках которой Джьюетт работает с исследователями из трех других университетов над реинжинирингом рибосомы как биологического катализатора для создания новых химических полимеров. ARO является частью Армейской исследовательской лаборатории командования по развитию боевого потенциала армии США.

«Удивительно, что рибосома может вместить в себя широкий спектр мономеров, которые мы показали», – сказал Джеветт. «Это действительно обнадеживает будущие усилия по перепрофилированию рибосом».

Исследователи из Техасского университета в Остине работают над аналогичной технологией для разработки адгезионных и адаптивных и отзывчивых материалов в рамках соглашения о сотрудничестве с ARL и Army Futures Command.