人工合成能維持細胞生長的蛋白質成功

歷史事件

2011年1月4日,美國科學家在《公共科學圖書館·綜合》上發表題爲“De Novo Designed Proteins from a Library of Artificial Sequences Function in Escherichia Coli and Enable Cell Growth”的論文,宣稱首次使用人造基因合成出了能維持活細胞生長的人造蛋白質,其功能自然界中存在的蛋白質一樣,新突破有助於科學家研製出新的生物系統

領導該項研究的普林斯頓大學化學系教授邁克爾·赫克特表示,這是合成生物學領域的一個重大突破。方興未艾的合成生物學領域的科學家希望設計和構造出自然界中並不存在的生物“零件”和系統,終極目標之一是使用化學物質人工合成一個完整的基因組。新研究表明,製造出能維持細胞生命的人造基因組或許指日可待。

之前幾乎所有的合成生物學研究都強調對從自然有機體中提取出來的生命“零件”進行重組。但赫克特認爲,最新研究表明,組成生命分子“零件”並不囿於自然界中已存在的基因蛋白質,在實驗室中合成的大分子也能提供生物功能。儘管科學家已經證明,可以對蛋白質進行設計,讓其摺疊甚至加速反應,但新研究代表了人工蛋白質製造方面的最前沿。

生物大分子蛋白質生命的物質基礎,與生命及與各種形式的生命活動緊密聯繫在一起。人體蛋白質的種類很多,性質和功能各異,但都由20多種氨基酸按不同比例組合而成。赫克特表示,如果一個蛋白質由100個(甚至更多)氨基酸組成,那麼就可能存在更多不同的蛋白質序列。該研究團隊想弄清楚,爲何人體內僅有10萬種不同的蛋白質,儘管可以產生的蛋白質數量比這更多。

因此,赫克特團隊開始着手製造人造蛋白,其由自然界中並不存在的基因序列所編碼。最終,他們合成了約100萬個氨基酸序列,並讓其摺疊成穩定的三維結構

研究團隊另一位負責人、加州大學伯克利分校的訪問學者邁克爾·費舍爾表示,研究最有趣的部分是,這些人造基因編碼信息完全是新的,並非來源於自然基因編碼信息,而且二者之間也沒有關係。

該團隊將合成的人造蛋白插入不同的變異細菌菌株中,這些變異菌株內某些特定的天然基因事先已被刪除,因此它們在特定的環境下會死亡。而實驗證明,原本會死亡的細菌菌株被這種可維持生命的新奇人造蛋白質所“拯救”。赫克特說:“這些人造蛋白質同任何已知的生物序列沒有關係,但它們能維持生命生長。這是一個令人興奮的結論,因爲它證明非天然的蛋白質也能維持天然有機體系統生命。”

Abstract

A central challenge of synthetic biology is to enable the growth of living systems using parts that are not derived from nature, but designed and synthesized in the laboratory. As an initial step toward achieving this goal, we probed the ability of a collection of >106 de novo designed proteins to provide biological functions necessary to sustain cell growth. Our collection of proteins was drawn from a combinatorial library of 102-residue sequences, designed by binary patterning of polar and nonpolar residues to fold into stable 4-helix bundles. We probed the capacity of proteins from this library to function in vivo by testing their abilities to rescue 27 different knockout strains of Escherichia coli, each deleted for a conditionally essential gene. Four different strains – ΔserB, ΔgltA, ΔilvA, and Δfes – were rescued by specific sequences from our library. Further experiments demonstrated that a strain simultaneously deleted for all four genes was rescued by co-expression of four novel sequences. Thus, cells deleted for ~0.1% of the E. coli genome (and ~1% of the genes required for growth under nutrient-poor conditions) can be sustained by sequences designed de novo.

特別提示:本站內容僅供初步參考,難免存在疏漏、錯誤等情況,請您核實後再引用。對於用藥、診療等醫學專業內容,建議您直接咨詢醫生,以免錯誤用藥或延誤病情,本站內容不構成對您的任何建議、指導。