Новая стратегия создания кастомных «дизайнерских белков» для детекции различных молекул
Биосенсоры — мощные инструменты в синтетической биологии. Однако разработка «дизайнерских» белков-биосенсоров, способных точно определять конкретные молекулы, была сложной задачей, что ограничивало их разнообразие.
Исследователи из Wyss Institute Гарварда и Гарвардской медицинской школы (HMS) представили в Nature Methods новую стратегию, сочетающую вычислительный дизайн белков, синтез in vitro и тестирование in vivo.
Мотивация и цель
- Исходная цель: создать систему обратной связи «жизнь или смерть» для метаболической инженерии. Это позволило бы осуществлять «дарвиновскую эволюцию на стероидах», где наиболее эффективные бактерии-продуценты целевых молекул получали бы селективное преимущество.
- Общая цель: получить доступ к химическому разнообразию биосферы, находя новые пути синтеза полезных молекул.
Методология на примере белка LacI
В качестве тестового объекта учёные выбрали природный регуляторный белок E. coli — LacI. Это аллостерический транскрипционный фактор (aTF), активируемый при связывании с индуктором и запускающий экспрессию гена.
Задача: перепроектировать LacI так, чтобы он реагировал на четыре новых индуктора, которые не метаболизируются природной E. coli: лактулозу, сукралозу, генциобиозу и фукозу.
Новый рабочий процесс включал:
- Комбинаторный синтез библиотеки вариантов: с использованием вычислительного дизайна белков и ресурсов института по синтезу ДНК создали библиотеку из сотен тысяч мутантных версий LacI.
- Высокопроизводительный скрининг in vivo: сконструировали штаммы E. coli, экспрессирующие зелёный флуоресцентный белок (GFP) в ответ на целевой индуктор. Самые эффективные варианты биосенсоров идентифицировали по сильной флуоресценции бактерий.
- Анализ: отобранные варианты секвенировали, получив ДНК-профили и «карты» для превращения aTF в высокоспецифичные кастомные сенсоры.
Результаты и значение
- Стратегия позволяет создавать оптимизированные биосенсоры на aTF для произвольно выбранной молекулы.
- LacI — лишь один из тысяч природных aTF. Метод, основанный на информации о последовательности и структуре, открывает путь к созданию сотен или тысяч новых биосенсоров.
Перспективы применения:
- Метаболическая инженерия: бактерии, оснащённые такими aTF, могут самостоятельно отслеживать биопроизводство целевого химиката, лекарства или биотоплива, что позволяет использовать эволюционные методы для отбора лучших продуцентов.
- Исследование единичных клеток: «дизайнерские» биосенсоры дают возможность в почти реальном времени изучать метаболическое состояние живых клеток, что раньше было крайне сложно.
- Широкий спектр применений: подход открывает путь к созданию высокоспецифичных биологических сенсоров для мониторинга окружающей среды, медицинской диагностики, биоремедиации и прецизионной генной терапии.
Как отметил директор-основатель Wyss Institute Дональд Ингбер, эта работа демонстрирует силу синтетической биологии в создании новых инструментов для медицины и защиты окружающей среды.