Nos últimos anos, cientistas desenvolveram bactérias com códigos genéticos expandidos que produzem proteínas feitas a partir de uma gama mais ampla de blocos de construção moleculares, abrindo uma frente promissora em engenharia de proteínas.

Agora, Os cientistas da Scripps Research demonstraram que essas bactérias sintéticas podem desenvolver proteínas em laboratório com propriedades aprimoradas, usando mecanismos que podem não ser possíveis com os blocos de construção de 20 aminoácidos da natureza.

Exposição de bactérias com código genético expandido artificialmente a temperaturas nas quais normalmente não podem crescer, os pesquisadores descobriram que algumas das bactérias desenvolveram novas proteínas resistentes ao calor que permanecem estáveis ​​em temperaturas onde normalmente seriam inativadas. Os pesquisadores relataram suas descobertas no Jornal da American Chemical Society ( JACS )

Praticamente todos os organismos da Terra usam os mesmos 20 aminoácidos como os blocos de construção para fazer proteínas - as grandes moléculas que realizam a maioria das funções celulares. Peter Schultz, Ph.D., o autor sênior do JACS papel e presidente e CEO da Scripps Research, foi pioneira em um método para reprogramar a maquinaria biossintética de proteínas da própria célula para adicionar novos aminoácidos às proteínas, denominados aminoácidos não canônicos (ncAAs), com estruturas e propriedades químicas não encontradas nos 20 aminoácidos comuns.

Este código genético expandido foi usado no passado para projetar racionalmente proteínas com novas propriedades para uso como ferramentas para estudar como as proteínas funcionam nas células e como novos medicamentos de engenharia de precisão para o câncer. Os pesquisadores agora perguntaram se as bactérias sintéticas com códigos genéticos expandidos têm uma vantagem evolutiva sobre aquelas que são limitadas a 20 blocos de construção - um código de 21 aminoácidos é melhor do que um código de 20 aminoácidos de uma perspectiva de aptidão evolutiva?

"Desde que expandimos pela primeira vez a gama de aminoácidos que podem ser incorporados nas proteínas, muito trabalho foi feito para usar esses sistemas para criar moléculas com propriedades novas ou aprimoradas, "diz Schultz." Aqui, mostramos que combinando um código genético expandido com uma evolução de laboratório pode-se criar proteínas com propriedades aprimoradas que podem não ser prontamente alcançáveis ​​com o conjunto mais limitado da natureza. "

Os cientistas começaram ajustando o genoma de E. coli para que a bactéria pudesse produzir a proteína homosserina o-succiniltransferase (metA) usando um código de 21 aminoácidos em vez do código comum de 20 aminoácidos. Uma importante enzima metabólica, metA dita a temperatura máxima na qual E. coli pode prosperar. Acima dessa temperatura, metA começa a inativar e a bactéria morre. Os pesquisadores então fizeram mutantes de metA, em que quase qualquer aminoácido na proteína natural pode ser substituído por um 21º aminoácido não canônico.

Neste ponto, eles permitem que a seleção natural - o mecanismo central da evolução - faça sua mágica. Ao aquecer as bactérias a 44 graus Celsius - uma temperatura na qual a proteína metA normal não pode funcionar, e como conseqüência, as bactérias não podem crescer - os cientistas colocam uma pressão seletiva na população de bactérias. Como esperado, algumas das bactérias mutantes foram capazes de sobreviver além de seu teto típico de temperatura, graças a possuir um metA mutante que era mais estável ao calor - todas as outras bactérias morreram.

Desta maneira, os pesquisadores foram capazes de conduzir a bactéria a desenvolver uma enzima metA mutante que poderia suportar temperaturas 21 graus acima do normal, quase o dobro do aumento de estabilidade térmica que as pessoas normalmente alcançam quando restritas a mutações limitadas aos blocos de construção comuns de 20 aminoácidos.

Os pesquisadores então identificaram a mudança na sequência genética específica que resultou no metA mutante e descobriram que era devido às propriedades químicas únicas de um de seus aminoácidos não canônicos que a evolução laboratorial explorou de uma maneira inteligente para estabilizar a proteína.

"É impressionante como fazer uma mutação tão pequena com um novo aminoácido não presente na natureza leva a uma melhoria tão significativa nas propriedades físicas da proteína, "diz Schultz.

"Este experimento levanta a questão de saber se um código de 20 aminoácidos é o código genético ideal - se descobrirmos formas de vida com códigos expandidos, elas terão uma vantagem evolutiva, e como seríamos se Deus tivesse trabalhado no sétimo dia e adicionado mais alguns aminoácidos ao código? "