Engenheiros criam bactérias que podem sintetizar um aminoácido não natural

Por Universidade de Delaware 19 de julho de 2023

Os cientistas desenvolveram bactérias para produzir pN-Phe, um aminoácido não padronizado com potenciais aplicações médicas. Trabalhos futuros irão otimizar este processo e explorar o seu potencial em vacinas e imunoterapias.

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. No entanto, a natureza oferece uma variedade impressionante de mais de 500 aminoácidos distintos. Além disso, uma infinidade de aminoácidos sintéticos foi criada pela engenhosidade humana. Esses aminoácidos alternativos são promissores no desenvolvimento de produtos farmacêuticos e tratamentos terapêuticos inovadores.

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 contém um grupo funcional raro que outros demonstraram ter implicações na regulação do nosso sistema imunológico. Os pesquisadores também ensinaram uma única cepa bacteriana a criar o aminoácido e colocá-lo em locais específicos nas proteínas-alvo. Estas descobertas, publicadas na Nature Chemical Biology, fornecem uma base para o desenvolvimento de vacinas e imunoterapias únicas no futuro.

O Laboratório Kunjapur utiliza ferramentas da biologia sintética e da engenharia genética para criar microrganismos capazes de sintetizar diferentes tipos de compostos e moléculas, especialmente aqueles com grupos funcionais ou propriedades que não estão bem representados na natureza.

Neste estudo, os pesquisadores se concentraram na para-nitro-L-fenilalanina (pN-Phe), um aminoácido não padrão que não é um dos vinte aminoácidos padrão nem foi observado na natureza. Outros grupos de pesquisa utilizaram o pN-Phe como uma ferramenta para estimular o sistema imunológico a reagir a proteínas que normalmente ignora.

“O grupo funcional nitroquímico tem propriedades valiosas e tem sido pouco explorado por pessoas que estão tentando reconectar o metabolismo”, disse Kunjapur. “O pN-Phe também tem uma boa história na literatura – ele pode ser adicionado a uma proteína de um camundongo, entregue de volta aos camundongos, e o sistema imunológico não tolerará mais a versão original dessa proteína. Essa capacidade é promissora para o tratamento ou prevenção de doenças causadas por proteínas nocivas que o sistema imunológico luta para fixar.”

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"}]"DNA. By coupling metabolic engineering techniques with genetic code expansion, the researchers were able to create a system that produces nitrated proteins autonomously./p>

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"}]"National Institutes of Health Director’s New Innovator Award. To further support this long-term goal, Kunjapur and Neil Butler, doctoral candidate and first author on this paper, co-founded Nitro Biosciences./p>