As células são incrivelmente hábeis na criação de moléculas complexas, como terapêutica, e pode fazer muito melhor do que muitas de nossas melhores fábricas.

Biólogos sintéticos procuram reengenharia de células para fazer essas moléculas para necessidades específicas, incluindo produtos farmacêuticos e aplicações de energia. Mas o processo de tentativa e erro é difícil e demorado, e muitas vezes compete com outros objetivos e processos da célula, como crescimento e sobrevivência.

Um novo método desenvolvido na Northwestern University combina duas abordagens de pesquisa de última geração para criar um maneira eficiente de projetar e analisar as vias metabólicas.

As abordagens - síntese de proteína livre de células e espectrometria de massa de ionização de dessorção em monocamada automontada (SAMDI) - se combinam para criar uma nova ferramenta para ajudar os engenheiros a entender melhor os caminhos para criar moléculas.

"Com esses dois métodos, podemos construir milhares de misturas potenciais e testá-las todas em um único dia, um processo muito mais rápido que dará novos insights e regras de design para biólogos sintéticos, "disse Milan Mrksich, o Professor Henry Wade Rogers de Engenharia Biomédica, Química, e Biologia Celular e Molecular na McCormick School of Engineering da Northwestern. Ele também é o codiretor do Centro de Biologia Sintética da Northwestern.

Os resultados foram publicados em 5 de junho na revista. Avanços da Ciência . Michael Jewett, o Professor Charles Deering McCormick de Excelência em Ensino, professor de engenharia química e biológica, e codiretor do Centro de Biologia Sintética, é co-autor da pesquisa.

Criação de enzimas por meio da síntese livre de células

As células desenvolvem moléculas complexas por meio de enzimas, a proteína que é usada para converter uma molécula em outra. Por meio de uma série dessas conversões, um metabólito se torna uma molécula complexa, um que frequentemente está associado a benefícios sociais.

Para que os engenheiros imitem este processo, eles precisam identificar quais enzimas são necessárias para dar a eles a molécula desejada. Uma vez que eles entendam essa via metabólica, eles podem manipular uma célula - geralmente uma célula de bactéria - para fazer as enzimas para criar a molécula alvo. Por exemplo, Coenzima A (CoA) é uma molécula central no metabolismo, e os biólogos sintéticos têm usado suas vias dependentes para desenvolver drogas antimaláricas, levedura de cerveja, e biocombustíveis avançados.

Mas encontrar esses caminhos é um processo de tentativa e erro que pode levar dias de esforço para projetar e testar o resultado. Para superar isso, O laboratório de Jewett desenvolveu um processo de síntese de proteínas sem células que cria apenas as enzimas necessárias para fazer as moléculas do produto alvo, mas sem ter que usar toda a célula. Aqui, o laboratório criou enzimas, que lhes permite misturar e combinar enzimas potenciais em tubos de reação sem que seus objetivos finais competam com os outros objetivos de uma célula, como manter seu metabolismo.

"A síntese de proteínas livres de células é realmente uma tecnologia empolgante, "Jewett disse." A abordagem baseada em coquetéis para a construção de funções biossintéticas usando sistemas livres de células que descrevemos aqui está alcançando uma liberdade de design sem precedentes para expandir as capacidades dos biocatalisadores naturais. "

Analisando rapidamente com SAMDI

Assim que essas soluções forem criadas, testar seu sucesso requer pelo menos meia hora por amostra. Porque existem tantas soluções possíveis, esse processo manual não é eficiente o suficiente para buscar os resultados ideais.

É aí que entra a espectrometria de massa SAMDI de Mrksich. A tecnologia mede reações bioquímicas de forma extremamente rápida e barata. "Podemos facilmente testar 10, 000 misturas de reação em um único dia para determinar quais moléculas foram sintetizadas e quanto de cada uma está presente nas misturas de reação, "Mrksich disse.

Adicionalmente, o método permite que eles observem todas as moléculas presentes na reação, o que significa que eles podem encontrar moléculas que não estavam necessariamente procurando em primeiro lugar. "Isso é muito emocionante, "Mrksich disse." É uma ferramenta científica poderosa que nos ensina sobre como essas reações são equilibradas e trocadas entre si na célula. "

Criação de fábricas com células

Para provar este método, os pesquisadores sintetizaram hidroximetilglutaril-CoA (HMG-CoA), um metabólito comum usado na síntese de muitas moléculas complexas, incluindo uma classe de moléculas importantes conhecidas como isoprenóides (incluindo esteróides e drogas contra o câncer), e mapeou mais de 800 condições únicas de reação.

"Hoje, um projeto típico de biologia sintética pode explorar dezenas de variantes de uma via, "Disse Jewett." Com o nosso método, mostramos que é possível testar centenas a milhares de variações de caminhos. Isso é importante porque permitirá novos tipos de design orientado a dados para facilitar a otimização do caminho. "

Como o método SAMDI cria tantos pontos de dados para cada teste, os pesquisadores esperam empregar mais métodos de aprendizado de máquina e inteligência artificial para ajudá-los a analisar e dar sentido a todos os dados.

O objetivo final é ter conhecimento suficiente para aproveitar o poder de uma célula para criar produtos farmacêuticos e produtos químicos sustentáveis ​​de próxima geração para energia. Da mesma forma que os rápidos aumentos no desempenho dos dispositivos computacionais - descritos pela lei de Moore - tiveram um impacto profundo em toda a indústria de computação e eletrônicos de consumo, "esta abordagem representa o próximo passo na engenharia que terá um impacto análogo na biologia sintética para todas as suas aplicações, "Disse Jewett.

"Imagine substituir fábricas inteiras por um barril de bactérias, "Mrksich disse." Essas células de bactérias podem ser projetadas para produzir nossas moléculas-alvo, sem as altas temperaturas e solventes e produtos químicos inseguros que normalmente são necessários. É um caminho atraente para a fabricação de produtos químicos, e com este novo processo, melhoramos significativamente a eficiência com a qual os caminhos podem ser descobertos e otimizados. "