08 enero 2011

Científicos construyen proteínas sintéticas que sustentan la vida

Científicos construyen proteínas sintéticas que sustentan la vida

ScienceDaily (07 de enero 2011) - En un logro sin precedentes que podría ayudar a científicos a "construir" nuevos sistemas biológicos, científicos de la Universidad de Princeton han construido por primera vez las proteínas artificiales que permiten el crecimiento de las células vivas.


El equipo de investigadores crearon secuencias genéticas nunca antes visto en la naturaleza, y los científicos demostraron que pueden producir sustancias que sustentan la vida en las células casi tan fácilmente como las proteínas producidas por el conjunto de herramientas propias de la naturaleza.
"Lo que tenemos aquí son máquinas moleculares que funcionan bastante bien dentro de un organismo vivo a pesar de que fueron diseñados desde cero y expresó a partir de genes artificiales", dijo Michael Hecht, profesor de química en Princeton, quien dirigió la investigación. "Esto nos dice que el juego de piezas moleculares de la vida no tiene por qué limitarse a las partes - los genes y las proteínas. - Que ya existen en la naturaleza"
La obra, dijo Hecht, representa un avance significativo en la biología sintética, un área emergente de investigación en que trabajan los científicos para diseñar y fabricar componentes y sistemas biológicos que no existen en el mundo natural. Uno de los objetivos del campo es el desarrollo de un genoma enteramente artificial compuesto de patrones únicos de los productos químicos.
"Nuestro trabajo sugiere", dijo Hecht, "que la construcción de los genomas artificiales capaces de sostener la vida celular puede estar al alcance."
Casi todo el trabajo previo de la biología sintética se ha centrado en la reorganización de las piezas extraídas de los organismos naturales. En cambio, dijo Hecht, los resultados descritos por el equipo muestran que las funciones biológicas pueden ser proporcionados por macromoléculas que no fueron tomados de la naturaleza, pero diseñado en el laboratorio.
Aunque los científicos han demostrado previamente que las proteínas pueden ser diseñadas para doblar y, en algunos casos, catalizan las reacciones, el trabajo del equipo de Princeton representa una nueva frontera en la creación de estas proteínas sintéticas.
La investigación, que llevó a cabo Hecht con tres antiguos estudiantes de Princeton y ex estudiante postdoctoral, se describe en la revista en línea PLoS ONE , publicado por la Public Library of Science.
Hecht y los estudiantes en su estudio de laboratorio la relación entre los procesos biológicos a escala molecular y los procesos en el trabajo en una magnitud mayor. Por ejemplo, se está estudiando cómo el plegamiento de las proteínas errantes en el cerebro puede conducir a la enfermedad de Alzheimer, y está involucrado en la búsqueda de compuestos para frustrar ese proceso. En un trabajo que se relaciona con el nuevo documento, Hecht y sus estudiantes también están interesados en aprender lo que los procesos de unidad de la rutina de plegado de las proteínas a nivel básico - como las proteínas necesidad de veces con el fin de la función - y por qué ciertas secuencias de teclas se han desarrollado son fundamentales para la existencia.
Las proteínas son los caballos de batalla de los organismos, producido a partir de instrucciones codificadas en el ADN celular. La identidad de cualquier proteína dada es dictada por una secuencia única de 20 productos químicos conocidos como aminoácidos. Si los aminoácidos diferentes se puede ver como las letras de un alfabeto, cada secuencia de la proteína que constituye su propia y única "sentencia".
Y, si una proteína es de 100 aminoácidos de longitud (la mayoría de las proteínas son incluso más tiempo), hay un número astronómicamente grande de posibilidades de secuencias de proteínas diferentes, dijo Hecht. En el centro de investigación de su equipo fue a la pregunta de cómo hay sólo cerca de 100.000 diferentes proteínas producidas en el cuerpo humano, cuando hay un potencial de más tantos. Se preguntaban, ¿son estas proteínas particulares de alguna manera especial? O puede que otros trabajan igual de bien, a pesar de que la evolución no ha tenido todavía la oportunidad de probar ellos?
Hecht y su grupo de investigación se dedicó a la creación de proteínas artificiales codificadas por las secuencias genéticas que no se ve en la naturaleza. Se produce aproximadamente 1 millón de secuencias de aminoácidos que fueron diseñadas para plegarse en estructuras estables de tres dimensiones.
"Lo que creo es más intrigantes de nuestro trabajo es que la información codificada en los genes artificiales es completamente nueva - que no viene de, ni está significativamente relacionado con la información codificada por genes naturales, y sin embargo el resultado final es una microbios que viven y funcional ", dijo Michael Fisher, co-autor del trabajo que obtuvo su doctorado en Princeton en 2010 y ahora es un compañero postdoctoral en la Universidad de California-Berkeley. "Tal vez sea análoga a la de tomar una oración, dar con las palabras de la marca nueva, la prueba si alguna de nuestras palabras nuevas puede tomar el lugar de cualquiera de las palabras originales en la oración, y encontrar que en algunos casos, la sentencia mantiene prácticamente la mismo significado, mientras que la incorporación de palabras nuevas. "
Una vez que el equipo había creado esta nueva biblioteca de proteínas artificiales, se insertan las proteínas en diversas cepas mutantes de la bacteria en el que ciertos genes naturales previamente había sido eliminado. Los genes eliminados naturales son necesarios para la supervivencia en un conjunto dado de condiciones, incluyendo una fuente de alimentación limitada. En estas duras condiciones, las cepas mutantes de la bacteria muerto - a menos que hayan adquirido una nueva proteína para mantener la vida de la colección de Hecht. Esto fue significativo porque la formación de una colonia de bacterias en estas condiciones selectiva sólo podría darse si una proteína de la colección tuvo la capacidad para sostener el crecimiento de las células vivas.
En una serie de experimentos que exploran el papel de las diferentes proteínas, los científicos demostraron que diferentes cepas de bacterias que debería haber muerto fueron rescatados por las nuevas proteínas diseñadas en el laboratorio. "Estas proteínas artificiales no tienen ninguna relación con ninguna de las secuencias biológicas conocidas, sin embargo, que sufrieron la vida", dijo Hecht.
Añadido Kara McKinley, también co-autor y un graduado de 2010 de Princeton que es ahora un doctorado estudiante en el Instituto de Tecnología de Massachusetts: "Este es un resultado interesante, porque muestra que las proteínas no naturales puede sostener un sistema natural, y que esas proteínas se pueden encontrar en la frecuencia relativamente alta en una biblioteca diseñada sólo para la estructura."
Además de Hecht, Fisher y McKinley, otros autores del trabajo incluyen Lucas Bradley, un ex estudiante postdoctoral en el laboratorio de Hecht, quien es ahora profesor asistente en la Universidad de Kentucky, y Sara Viola, un graduado de 2008 de Princeton que es ahora un médico estudiante en la Universidad de Columbia.
La investigación fue financiada por la National Science Foundation.

Fuente: La historia anterior se reproduce (con las adaptaciones de redacción por la Ciencia diario personal) de los materiales proporcionados por la Universidad de Princeton . El artículo original fue escrito por Kitta MacPherson.

Referencia :
  1. Marcos Isalan, Michael A. Fisher, Kara L. McKinley, Lucas H. Bradley, Sara R. Viola, Michael H. Hecht. De Novo Designed Proteins from a Library of Artificial Sequences Function in Escherichia Coli and Enable Cell Growth. PLoS ONE, 2011; 6 (1): e15364 DOI: 10.1371/journal.pone.0015364

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