Les ingénieurs créent des bactéries capables de synthétiser un acide aminé non naturel

Par Université du Delaware19 juillet 2023

Les scientifiques ont conçu des bactéries pour produire du pN-Phe, un acide aminé non standard ayant des applications médicales potentielles. Les travaux futurs optimiseront ce processus et exploreront son potentiel dans les vaccins et les immunothérapies.

Amino acids serve as the foundational elements of proteins, vital to the optimal functioning of biological structures. Proteins in all life forms are composed of 20 core amino acids<div class="cell text-container large-6 small-order-0 large-order-1"><div class="text-wrapper"><br />Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.<br /></div></div>" data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> acides aminés. Cependant, la nature offre une variété impressionnante de plus de 500 acides aminés distincts. De plus, une multitude d’acides aminés synthétiques ont été créés par l’ingéniosité humaine. Ces acides aminés alternatifs sont prometteurs dans le développement de produits pharmaceutiques et de traitements thérapeutiques innovants.

Now, University of Delaware researchers in the lab of Aditya Kunjapur, assistant professor in the College of Engineering’s Department of Chemical and Biomolecular Engineering, have engineered bacteria to synthesize an amino acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> acide qui contient un groupe fonctionnel rare dont d’autres ont démontré qu’il avait des implications dans la régulation de notre système immunitaire. Les chercheurs ont également appris à une seule souche bactérienne à créer l’acide aminé et à le placer sur des sites spécifiques au sein des protéines cibles. Ces découvertes, publiées dans Nature Chemical Biology, constituent une base pour le développement de vaccins et d’immunothérapies uniques à l’avenir.

Le Kunjapur Lab utilise des outils issus de la biologie synthétique et du génie génétique pour créer des micro-organismes capables de synthétiser différents types de composés et de molécules, notamment ceux dotés de groupes fonctionnels ou de propriétés peu représentées dans la nature.

Dans cette étude, les chercheurs se sont concentrés sur la para-nitro-L-phénylalanine (pN-Phe), un acide aminé non standard qui n’est ni l’un des vingt acides aminés standards ni qui n’a été observé dans la nature. D'autres groupes de recherche ont utilisé le pN-Phe comme outil pour stimuler le système immunitaire à réagir aux protéines qu'il ignore généralement.

"Le groupe fonctionnel nitrochimique possède des propriétés précieuses et a été sous-exploré par les personnes qui tentent de recâbler le métabolisme", a déclaré Kunjapur. « Le pN-Phe a également une belle histoire dans la littérature : il peut être ajouté à une protéine provenant d'une souris, restitué à la souris, et le système immunitaire ne tolérera plus la version originale de cette protéine. Cette capacité est prometteuse pour le traitement ou la prévention de maladies causées par des protéines indésirables sur lesquelles le système immunitaire a du mal à se verrouiller.

Genetic code expansion methods allowed the researchers to increase the “alphabet” of available amino acids encoded by DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person’s body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"DNA. By coupling metabolic engineering techniques with genetic code expansion, the researchers were able to create a system that produces nitrated proteins autonomously./p>

The next step for this research is to optimize their methods to synthesize higher amounts of nitrated proteins and expand this work into other microorganisms. The long-term goal is to further refine this platform for applications related to vaccines or immunotherapies, efforts that are supported by Kunjapur’s 2021 AIChE Langer Prize and the 2022 National Institutes of HealthThe National Institutes of Health (NIH) is the primary agency of the United States government responsible for biomedical and public health research. Founded in 1887, it is a part of the U.S. Department of Health and Human Services. The NIH conducts its own scientific research through its Intramural Research Program (IRP) and provides major biomedical research funding to non-NIH research facilities through its Extramural Research Program. With 27 different institutes and centers under its umbrella, the NIH covers a broad spectrum of health-related research, including specific diseases, population health, clinical research, and fundamental biological processes. Its mission is to seek fundamental knowledge about the nature and behavior of living systems and the application of that knowledge to enhance health, lengthen life, and reduce illness and disability." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"National Institutes of Health Director’s New Innovator Award. To further support this long-term goal, Kunjapur and Neil Butler, doctoral candidate and first author on this paper, co-founded Nitro Biosciences./p>