lauantai 29. joulukuuta 2012

Tutkijat siirtivät synteettistä proteiinia bakteeriin


Arizona State yliopiston ja Midwestern yliopiston tutkijat ovat valmistaneet synteettistä proteiinia ja siirtäneet sitä bakteerisoluun. Bakteerisolu reagoi odottamattomalla tavalla keinotekoiseen tunkeilijaan. Tutkimustulokset on julkaistu ACS Chemical Biology -verkkolehdessä.


Eräs lähestymistapa elävien organismien rakenneosien ymmärtämiseen on yritys luoda niitä keinotekoisesti, käyttämällä hyväksi kemiaa, älykästä suunnittelua ja genetiikkaa. Tällä tekniikalla, jota yleisesti kutsutaan synteettiseksi biologiaksi, on tuotettu replikoituvia molekyylejä, keinotekoisia reaktioreittejä sekä soluja, joissa on synteettinen genomi.

Arizona State yliopiston tutkija John Chaput on yhdessä kollegojensa kanssa valmistanut keinotekoisen proteiinin laboratoriossa ja tutkinut yllättäviä tapoja, joilla elävät solut reagoivat siihen.

"Jos laitamme keinotekoisen proteiinin solun sisään, niin vieläkö se toimii?", Chaput kysyy. "Tunnistaako solu sen? Pureskeleeko solu sen ja sylkee sitten ulos?" Tämä tutkimaton alue muodostaa uuden haasteen synteettiselle biologialle ja se voi lopulta johtaa uusien lääkkeiden kehittämiseen.

Tutkijat havaitsivat Escherichia coli-bakteerin reagoivan omituisella ja odottamattomalla tavalla synteettiseen proteiiniin, jota kutsutaan nimellä DX. Solun sisällä DX-proteiini sitoutuu solun energiavarastoina toimiviin ATP-molekyyleihin, joita kaikki eliöt käyttävät.

"ATP on elämän energiavaluuttaa," Chaput sanoo. ATP:n fosfodiesterisidokset sisältävät energiaa, jota eliöissä tapahtuvat reaktiot tarvitsevat. Reaktion tarvitsema energia vapautuu fosfaattiosan irrotessa ATP-molekyylistä. ATP:hen sitoutuva DX-proteiini häiritsee solun normaalia metaboliaa niin, että se ei enää kykene jakautumaan, vaikkakin se pystyy jatkamaan kasvua.

DX-proteiinin vaikutuksesta normaalisti pyöreä E. coli-bakteeri muuntuu pitkulaiseksi sauvaksi. Pitkulaiseen bakteerisoluun kehittyy tiheitä lipidirakenteita, jotka jakavat solun pituussuunnassa samankokoisiin osiin. Syntyneet lipidirakenteet, joita tutkijat kutsuvat endoliposomeiksi, ovat odottamaton ja ennennäkemätön ilmiö bakteerisolussa.

Tutkijat uskovat säännöllisin välein syntyvien lipidirakenteiden olevan puolustusmekanismi, jonka ansiosta bakteerisolu voi jakaa itsensä erillisiin osastoihin. Tällaista ilmiötä ei ole aikaisemmin havaittu bakteereissa ja se näyttää olevan ominainen vain yksisoluisille organismeille.

On hyvin vaikeaa valmistaa DX:n kaltainen synteettinen proteiini, joka osaa jäljitellä luonnollisten proteiinien hienoja laskostumistapoja, sekä sitoutua solun metaboliassa avainasemassa olevaan ATP-molekyyliin. Chaput kertoo tutkijoiden käyttäneen älykästä strategiaa - mRNA näyttöä (mRNA display) - valmistaakseen hienosäädettyjä proteiineja, jotka sitoutuvat voimakkaasti ATP-molekyyliin, aivan kuten luonnon omat ATP:hen sitoutuvat proteiinit tekevät.

Aluksi valmistetaan laaja kirjasto satunnaisia 80 nukleotidin pituisia peptidejä DNA:n neljästä nukleiinihaposta. Nämä ketjut käännetään sitten RNA:ksi käyttämällä hyväksi luonnon omaa entsyymiä - RNA polymeraasia. Edelleen käyttämällä luonnon omaa huippuhienoa nanokonetta - ribosomia - saadaan satunnainen RNA luettua ja generoitua proteiiniksi, siis samalla tavoin kuin luonnollisetkin proteiinit valmistuvat ribosomin yhdistäessä aminohappoja RNA:n ohjeen mukaiseen järjestykseen.

Seuraavaksi erä valmistettuja proteiineja altistetaan ATP-molekyyleille ja valitaan se, jotka sitoutuvat parhaiten. Mutta, kuten Chaput selittää, tässä on pieni ongelma: "Kuinka me saamme selville valittujen proteiinien geneettisen informaation?" Proteiinia ei voi kääntää takaisin DNA sekvenssiksi. Proteiinista ei voi valmistaa kopioita. Niinpä meidän on tehtävä kaikki nämä molekyylibiologiset temput."

Tärkein temppu tehdään jo prosessin alkuvaiheessa. RNA-sekvenssiin kiinnitetään kemiallisesti molekyylilinkki, jonka avulla jokainen RNA-sekvenssi kiinnittyy ohjaamaansa uuteen proteiiniin. Nämä mRNA-proteiinihybridit altistetaan useita kertoja ATP:lle tiukentuvalla valinnalla. Jokaisen valintakierroksen jälkeen ATP:hen sitoutuneet proteiinit käännetään cDNA:ksi käyttämällä hyväksi niihin kiinnitettyä RNA:ta. Ja cDNA monistetaan PCR-tekniikalla.

Tutkimuksessa DX-proteiinille altistuneet E. coli-solut muuntuivat pitkulaisiksi, joka voi myös tapahtua luonnossa, mikäli bakteerit joutuvat stressaavaan ympäristöön. Tällöin bakteerien metabolia ja solunjakautuminen hidastuu, mikä johtunee ATP-energian puutteesta.

Tutkijat selvittivät myös bakteerien kykyä palautua DX-proteiinialtistumisesta. Bakteerisolujen havaittiin menevän hiljaiseen tilaan (elossa mutta lisääntymiskyvyttömänä, viable but non-culturable [VBNC]). Ne siis selvisivät ATP:n puutteesta ja palautuivat pitkulaisesta muodosta pyöreiksi 48 tunnin kuluessa, mutta ne olivat menettäneet lisääntymiskykynsä. Lisäksi pitkulaista muotoa oli vaikea saada aikaiseksi uudestaan ja näyttääkin siltä, että bakteerisoluissa oli tapahtunut geneettinen uudelleenohjelmointi.

Tutkijat epäilevät, että bakteerisolun rakenteen muuttuminen on yritys ylläpitää homeostaasia niissä osissa solua, jotka on lipidirakentein erotettu muusta DX-proteiinin aiheuttamasta ATP-köyhästä solutilasta. He myös arvelevat solun jakavan geneettisen informaation alueille, joissa se on turvassa. Tällaista solun osastoitumista on havaittu joillakin eukaryooteilla, mutta ei koskaan E. colin kaltaisella prokaryootilla.

ATP:n toiminnan estäminen voisi olla myös eräs keino taistella sairauksia aiheuttavia mikrobeja vastaan.

Tutkijoiden mukaan tietyllä tavalla laskostuvan ja toimivan proteiinin valmistaminen on hyvin vaikeaa. Tutkijat joutuivat turvautumaan solussa oleviin valmiisiin nanokoneisiin (mm. RNA polymeraasi ja ribosomi) voidakseen toteuttaa suunnitelmansa. Eikä lopputuote kuitenkaan osaa tehdä mitään erityistä. Se osaa vain sitoutua ATP-molekyyliin ja estää siten sitä toimittamasta energiaa solun koneistolle. Monet luonnon proteiineista osaavat (sitoutumisen lisäksi) suorittaa solun kannalta jonkin tärkeän tehtävän. Ne ovat nanokoneita, joista kokonaisen solun koneisto muodostuu. Luonnon proteiinit myös syntyvät DNA:han koodatun informaation perusteella. Tutkijoilla on vielä tähtitieteellisen pitkä matka siihen, että heidän suunnittelemansa DNA-koodin perusteella syntyisi halutun toiminnon suorittava synteettinen proteiini. Nythän tutkijat valmistivat vain satunnaisia DNA-pätkiä, jotka eivät sisältäneet suunniteltua geneettistä informaatiota.

Tutkijat ovat kuitenkin osoittaneet, että proteiinit voivat olla suunniteltuja. Vallitsevan kehitysopillisen käsityksen mukaan proteiinit eli solun nanokoneet ovat syntyneet sattumalta. Niiden huippuhienot rakenteet ja toiminnot vain näyttävät olevan älykkäästi suunniteltuja, jolloin on järkevää olettaa, että niistä kannattaa ottaa oppia. Vielä on kuitenkin paljon opittavaa.



Lähde:

http://www.biodesign.asu.edu/news/strange-behavior-new-study-exposes-living-cells-to-synthetic-protein-

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti