Ученые разработали метод, который навсегда изменил белковую инженерию
Нобелевская премия по химии 2018 года была вручена трем ученым, которые разработали метод, который навсегда изменил белковую инженерию: направленную эволюцию. Подражая естественной эволюции, направленная эволюция направляет синтез белков с улучшенными или новыми функциями.
Во-первых, исходный белок мутирует, чтобы создать коллекцию вариантов мутантного белка. Варианты белка, которые показывают улучшенные или более желательные функции, выбраны. Эти отобранные белки затем снова мутируют, чтобы создать другую коллекцию вариантов белка для другого раунда селекции. Этот цикл повторяется до тех пор, пока не будет получен конечный мутированный белок с оптимизированными характеристиками по сравнению с исходным белком.
Теперь ученые из лаборатории Ardemis Boghossian в EPFL смогли использовать направленную эволюцию для создания не белков, а синтетических наночастиц. Эти наночастицы используются в качестве оптических биосенсоров — крошечных устройств, которые используют свет для обнаружения биологических молекул в воздухе, воде или крови. Оптические биосенсоры широко используются в биологических исследованиях , разработке лекарственных препаратов и медицинской диагностике, таких как мониторинг инсулина и глюкозы в режиме реального времени у диабетиков.
«Прелесть направленной эволюции заключается в том, что мы можем сконструировать белок, даже не зная, как его структура связана с его функцией», — говорит Богоссян. «И у нас даже нет этой информации для подавляющего, подавляющего большинства белков».
Ее группа использовала направленную эволюцию, чтобы модифицировать оптоэлектронные свойства однослойных углеродных нанотрубок, обернутых ДНК (или ДНК-ОСУНТ, как они сокращены), которые представляют собой наноразмерные трубки с атомами углерода, которые напоминают свернутые листы графена, покрытые ДНК. Когда они обнаруживают свою цель, ДНК-ОСНТ испускают оптический сигнал, который может проникать через сложные биологические жидкости, такие как кровь или моча.
Используя метод направленной эволюции, команда Богосяна смогла разработать новые ДНК-ОСУНТ с оптическими сигналами, которые увеличились на 56% — и сделали это всего за два цикла эволюции.
«Большинство исследователей в этой области просто просматривают большие библиотеки различных материалов в надежде найти один со свойствами, которые они ищут», — говорит Богосян. «В оптических наносенсорах мы пытаемся улучшить свойства, такие как селективность, яркость и чувствительность. Применяя направленную эволюцию, мы предоставляем исследователям руководствующийся подход к разработке этих наносенсоров».
Исследование показывает, что то, что по сути является техникой биоинженерии, может быть использовано для более рациональной настройки оптоэлектронных свойств некоторых наноматериалов. Богосян объясняет: «Такие области, как материаловедение и физика, в основном заняты определением взаимосвязей структура-функция материалов, затрудняя разработку материалов, в которых отсутствует эта информация. Но это проблема, которую природа решила миллиарды лет назад, а в последние десятилетия — биологи также занимались этим. Я думаю, что наше исследование показывает, что, как материаловеды и физики, мы все еще можем извлечь несколько прагматических уроков из биологов ».
