Ученые EPFL используют направленную эволюцию для создания синтетических наночастиц

Нобелевская премия по химии 2018 года была присуждена трем ученым, которые разработали подход, названный направленной эволюцией, которая навсегда изменила белковую инженерию. Направленная эволюция имитирует естественную эволюцию и направляет производство белков с новыми или улучшенными функциями.

Иллюстрация однослойной углеродной нанотрубки в ДНК. (Фото предоставлено Бенджамином Ламбертом, EPFL)

Первоначально исходный белок мутировал для развития ряда вариантов мутантного белка. Затем выбирают варианты белка, которые проявляют усиленные или более благоприятные функции. Эти выбранные белки затем снова мутируют, чтобы получить другой набор вариантов белка для другого раунда селекции. Этот цикл повторяется снова и снова до тех пор, пока не будет создан окончательный мутированный белок с превосходными характеристиками по сравнению с исходным белком.

В настоящее время исследователи из лаборатории Ardemis Boghossian в EPFL смогли использовать направленную эволюцию для разработки синтетических наночастиц, а не белков. Эти наночастицы используются в качестве оптических биосенсоров, которые представляют собой небольшие устройства, которые обнаруживают биологические молекулы в воде, крови или воздухе с использованием света. Оптические биосенсоры широко используются в разработке лекарственных препаратов, биологических исследованиях и медицинской диагностике, например, мониторинг в реальном времени глюкозы и инсулина у диабетиков.

Красота направленной эволюции заключается в том, что мы можем создать белок, даже не зная, как его структура связана с его функцией. И у нас даже нет этой информации для подавляющего, подавляющего большинства белков .

Ардемис Богосян, EPFL

Ее команда использовала направленную эволюцию для изменения оптоэлектронных свойств однослойных углеродных нанотрубок (или ДНК-ОСУН) в оболочке ДНК, представляющих собой наноразмерные трубки из атомов углерода, которые выглядят как свернутые листы графена, окруженные ДНК , Когда они идентифицируют свою цель, ДНК-ОСНТ испускают оптический сигнал, который может проникать через сложные биологические жидкости, такие как кровь или моча.

Общий принцип метода направленной эволюции, применяемого к комплексам ДНК-SWCNT наночастиц

Исходный комплекс представляет собой ДНК-ОСНТ со слабым оптическим сигналом. Это достигается путем направленной эволюции, которая включает в себя следующие этапы:

  1. Случайная мутация последовательности ДНК
  2. Покрытие ДНК ОСНТ и экранирование оптического сигнала комплекса
  3. Выбор комплексов ДНК-SWCNT, показывающих усиленный оптический сигнал

После многочисленных циклов эволюции могут быть получены комплексы ДНК-SWCNT, которые демонстрируют улучшенное оптическое поведение (Фото: Бенджамин Ламберт, EPFL)

С помощью метода направленной эволюции команда во главе с Богоссяном смогла синтезировать новые ДНК-ОСУНТ с оптическими сигналами, которые были улучшены на 56%, и достигли этого всего за два цикла эволюции.

Большинство исследователей в этой области просто просматривают большие библиотеки различных материалов в надежде найти один со свойствами, которые они ищут. В оптических наносенсорах мы стараемся улучшить такие свойства, как селективность, яркость и чувствительность. Применяя направленную эволюцию, мы предоставляем исследователям управляемый подход к конструированию этих наносенсоров .

Ардемис Богосян, EPFL

Исследования показывают, что фундаментальный метод биоинженерии может быть использован для более рационального изменения оптоэлектронных свойств определенных наноматериалов. Богосян объясняет: « Области, такие как материаловедение и физика, в основном заняты определением взаимосвязей структура-функция материала, что затрудняет разработку материалов, в которых отсутствует эта информация. Но это проблема, которую природа решила миллиарды лет назад, и в последние десятилетия биологи также решили ее. Я думаю, что наше исследование показывает, что, как материаловеды и физики, мы все еще можем извлечь несколько прагматических уроков из биологов ».

Это исследование было профинансировано грантом энергии SNSF AP.

Source link