Biólogos sintéticos trabalhando em um projeto do Exército dos EUA desenvolveram um processo que pode levar a uma nova classe de polímeros sintéticos que podem criar novos materiais e terapêuticas de alto desempenho para soldados.

Nature Communications pesquisa publicada conduzida por pesquisadores financiados pelo Exército na Northwestern University, que desenvolveu um conjunto de regras de design para orientar como os ribossomos, uma estrutura celular que produz proteínas, pode incorporar novos tipos de monômeros, que podem ser ligados com moléculas idênticas para formar polímeros.

"Essas descobertas são um passo empolgante para a obtenção de polímeros sintéticos definidos por sequência, que tem sido um grande desafio no campo da química de polímeros, "disse o Dr. Dawanne Poree, gerenciador de programa, química de polímeros no Gabinete de Pesquisa do Exército. "A capacidade de aproveitar e adaptar o maquinário celular para produzir polímeros não biológicos, em essência, trazer materiais sintéticos para o reino das funções biológicas. Isso pode renderizar avançado, materiais de alto desempenho, como nanoeletrônica, materiais de autocura, e outros materiais de interesse para o Exército. "

Polímeros biológicos, como DNA, possuem sequências de blocos de construção precisas que fornecem uma variedade de funções avançadas, como armazenamento de informações e auto-replicação. Este projeto analisou como reprojetar maquinários biológicos para permitir que funcionem com blocos de construção não biológicos que ofereceriam uma rota para a criação de polímeros sintéticos com a precisão da biologia.

"Esses novos polímeros sintéticos podem permitir o desenvolvimento de equipamentos de proteção individual avançados, eletrônica sofisticada, células de combustível, células solares avançadas e nanofabricação, que são essenciais para a proteção e desempenho dos soldados, "Poree disse.

"Decidimos expandir a gama de monômeros ribossômicos para síntese de proteínas para permitir novos rumos na biofabricação, "disse Michael Jewett, o Professor Charles Deering McCormick de Excelência em Ensino, professor de engenharia química e biológica, e diretor do Center for Synthetic Biology da Northwestern's McCormick School of Engineering. "O que é tão empolgante é que aprendemos que o ribossomo pode acomodar mais tipos de monômeros do que esperávamos, que prepara o terreno para o uso do ribossomo como uma máquina geral para criar classes de materiais e medicamentos que não foram sintetizados antes. "

A produção de proteínas recombinantes pelo ribossomo transformou a vida de milhões de pessoas por meio da síntese de biofármacos, como a insulina, e enzimas industriais que são usadas em detergentes para a roupa. Na natureza, Contudo, o ribossomo apenas incorpora monômeros de aminoácidos naturais em polímeros de proteína.

Para expandir o repertório de monômeros usados ​​pelo ribossomo, A equipe de Jewett decidiu identificar regras de design para ligar monômeros ao ácido ribonucleico de transferência, conhecido como tRNAs. Isso porque fazer com que o ribossomo use um novo monômero não é tão simples quanto introduzir um novo monômero no ribossomo. Os monômeros devem ser anexados a tRNAs, quais são as moléculas que os carregam para o ribossomo. Muitos processos atuais para anexar monômeros a tRNAs são difíceis e demorados, mas um processo relativamente novo chamado flexizyme permite uma fixação mais fácil e flexível de monômeros.

Para desenvolver as regras de design para usar flexizyme, os pesquisadores criaram 37 monômeros que eram novos para o ribossomo a partir de um repertório diversificado de andaimes. Então, eles mostraram que os monômeros que poderiam ser anexados aos tRNAs poderiam ser usados ​​para fazer dezenas de novos híbridos de peptídeos. Finalmente, eles validaram suas regras de design guiando previsivelmente a busca por ainda mais novos monômeros.

"Com as novas regras de design, mostramos que podemos evitar as abordagens de tentativa e erro que têm sido historicamente associadas ao desenvolvimento de novos monômeros para uso pelo ribossomo, "Disse Jewett.

Essas novas regras de design devem acelerar o ritmo em que os pesquisadores podem incorporar novos monômeros, que acabará por levar a novos bioprodutos sintetizados pelo ribossomo. Por exemplo, materiais feitos de monômeros resistentes à protease podem levar a medicamentos antimicrobianos que combatem o aumento da resistência aos antibióticos.

A pesquisa faz parte do programa de Iniciativas de Pesquisa Universitária Multidisciplinar do Departamento de Defesa, apoiado pela ARO, em que Jewett está trabalhando com pesquisadores de três outras universidades para fazer a reengenharia do ribossomo como um catalisador biológico para fazer novos polímeros químicos. ARO é um elemento do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA.

"É incrível como o ribossomo pode acomodar a variedade de monômeros que mostramos, "Disse Jewett." Isso é realmente encorajador para os esforços futuros de reaproveitar os ribossomos. "