Ученые создали «движок эволюции» для быстрого перепрограммирования белков
Ученые из Scripps Research разработали платформу T7-ORACLE, которая ускоряет направленную эволюцию белков в тысячи раз по сравнению с природой. Система описана в журнале Science и позволяет быстро создавать белки с новыми свойствами для терапии рака, нейродегенеративных и других заболеваний.
Как работает система
T7-ORACLE — это синтетическая биологическая платформа, использующая бактерию E. coli. В неё встроена искусственная система репликации ДНК, позаимствованная у бактериофага T7. Эта система является ортогональной, то есть работает отдельно от собственного генома клетки-хозяина.
Ключевой элемент — инженерная T7 ДНК-полимераза, сделанная склонной к ошибкам. Она вносит мутации в целевые гены на плазмидах (небольших кольцевых ДНК) с частотой в 100 000 раз выше нормы, не повреждая геном самой бактерии.
«Это похоже на кнопку быстрой перемотки для эволюции. Теперь можно непрерывно и точно эволюционировать белки внутри клеток», — говорит соавтор работы Пит Шульц.
Доказательство эффективности
В качестве демонстрации в систему поместили ген устойчивости к антибиотикам TEM-1 β-лактамазы. Бактерии E. coli подвергали воздействию возрастающих доз антибиотиков.
- Результат: менее чем за неделю система эволюционировала версии фермента, способные выдерживать уровни антибиотиков в 5000 раз выше, чем исходный вариант.
- Мутации, полученные в эксперименте, близко соответствовали реальным мутациям устойчивости, встречающимся в клинической практике.
«Удивительно, насколько близко мутации, которые мы увидели, совпали с реальными мутациями устойчивости, обнаруженными в клинических условиях», — отмечает соавтор Кристиан Диркс.
Потенциал и преимущества
- Универсальность: Система позволяет эволюционировать практически любой белок (антитела, терапевтические ферменты, протеазы) за дни вместо месяцев.
- Простота: T7-ORACLE использует стандартные культуры E. coli и широко применяемые лабораторные методики, не требуя сложного оборудования.
- Применения: Быстрая эволюция антител против рака, создание более эффективных терапевтических ферментов, дизайн протеаз для таргетинга белков, связанных с раком и нейродегенеративными заболеваниями.
Будущее развитие
Исследователи рассматривают использование системы для эволюции полимераз, способных реплицировать полностью искусственные нуклеиновые кислоты — синтетические молекулы, напоминающие ДНК и РНК, но с новыми химическими свойствами.
«Подход T7-ORACLE объединяет лучшее из двух миров. Теперь мы можем сочетать рациональный дизайн белков с непрерывной эволюцией для более эффективного открытия функциональных молекул», — заключает Шульц.