两种方法提供了一种更快的方法来制造酶并分析它们的反应,导致更复杂分子的设计

生物

细胞非常擅长创造复杂的分子,就像治疗学一样,比我们许多最好的工厂做得更好。

合成生物学家希望重新设计细胞,使这些分子满足特定的需要,包括药物和能源应用。但试错过程又困难又费时,经常与细胞的其他目标和过程竞争,像生长和生存。

西北大学开发的一种新方法结合了两种最先进的研究方法,创造了一种快速的设计和分析代谢途径的有效方法。

这些方法——无细胞蛋白质合成和自组装单层解吸电离(SAMDI)质谱法——结合在一起,形成了一个新的工具,帮助工程师更好地理解分子的生成途径。

“有了这两种方法,我们可以在一天内制造出数千种潜在的混合物并测试它们,一个更快的过程,将为合成生物学家提供新的见解和设计规则。亨利·韦德·罗杰斯生物医学工程教授,188betsport化学,西北大学麦考密克工程学院的细胞和分子生物学。

他还是西北大学合成生物学中心的联合主任。研究结果最近发表在《科学进展》杂志上。迈克尔·杰维特,查尔斯·迪林·麦考密克教授化学与生物工程教授,188betsport以及合成生物学中心的副主任,是这项研究的合著者。

通过无细胞合成产生酶


细胞通过酶产生复杂分子,用来把一个分子转换成另一个分子的蛋白质。通过一系列的转换,代谢物变成复杂的分子,通常与社会利益有关的人。

为了让工程师模拟这个过程,他们需要确定哪些酶需要给予他们想要的分子。一旦他们了解了代谢途径,他们可以设计一个细胞——通常是细菌细胞——来制造酶来制造目标分子。

例如,辅酶A(coa)是新陈代谢的中心分子,合成生物学家利用其依赖性途径来设计抗疟药物,啤酒酵母,以及先进的生物燃料。

但是找到这些路径是一个试验和错误的过程,需要花费数天的时间来设计和测试结果。为了克服这个问题,杰维特的实验室已经开发出一种无细胞蛋白质合成过程,它只产生制造目标产物分子所需的酶。但不必使用整个细胞本身。

在这里,实验室创造了酶,这使得它们能够在没有最终目标的情况下混合和匹配反应管中的潜在酶,与细胞的其他目标竞争,就像维持新陈代谢一样。

“无细胞蛋白质合成确实是一项令人兴奋的技术,”杰维特说。“使用我们在这里描述的无细胞系统构建生物合成功能的混合方法实现了前所未有的设计自由,以扩展自然生物催化剂的能力。”

使用SAMDI快速分析


一旦创建了这些解决方案,测试他们的成功需要每个样本至少半小时。因为有很多可能的解决方案,这种人工过程不够有效,无法找到最佳结果。

这就是卡西奇先生的SAMDI质谱分析法的由来。这项技术测量生化反应非常迅速和廉价。188betsport“我们可以在一天内轻松测试10000种反应混合物,以确定合成了哪些分子,以及在反应混合物中有多少分子,”Mrksich说。

此外,这种方法可以让他们观察反应中的所有分子,这意味着他们可以找到最初不需要寻找的分子。

“那太令人兴奋了,”克希奇先生说。“这是一个强大的科学工具,它教我们如何平衡这些反应,并在细胞内相互抵消。”

使用单元格创建工厂


为了证明这种方法,研究人员合成了羟甲基戊二酰辅酶A(HMG辅酶A)。一种常见的代谢产物,用于合成许多复杂分子,包括一类被称为异戊二烯的重要分子(包括类固醇和抗癌药物)。并绘制了800多种独特的反应条件。

“今天,一个典型的合成生物学项目可能会探索一种途径的几十种变体,”杰维特说。“用我们的方法,我们证明有可能测试成百上千的路径变异。这一点很重要,因为它将使新型数据驱动设计能够促进路径优化。”

因为samdi方法为每个测试创建了如此多的数据点,研究人员希望在未来使用更多的机器学习和人工智能方法来帮助他们分析和理解所有的数据。

最终的目标是有足够的理解来利用细胞的力量来创造下一代药物和可持续的化学能源。188betsport

正如摩尔定律所描述的计算设备性能的快速增长对整个计算和消费电子行业产生了深远的影响一样,“这种方法代表了工程学的下一步,它将对合成生物学的所有应用产生类似的影响”,杰维特说。

“想象一下用一桶细菌代替整个工厂,”克希奇先生说。“这些细菌细胞可以被设计来产生我们的目标分子,没有通常需要的高温和不安全的溶剂和化学品。188betsport

“这是制造化学品的一条有吸引力的途径,188betsport有了这个新的过程,我们显著提高了发现和优化路径的效率。”

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细胞非常擅长创造复杂的分子,就像治疗学一样,而且比我们许多最好的工厂做得更好。合成生物学家希望重新设计细胞,使这些分子满足特定的需要,包括药物和能源应用。但试错过程又困难又费时,而且经常……