Skip to main content

Programming in vitro evolution using molecular fitness functions

Article Category

Article available in the folowing languages:

Komputer molekularny poszukuje nowych enzymów

Inżynieria białek oferuje potencjalnie ogromne korzyści, ale jej prowadzenie jest żmudne i powolne. Maleńkie maszyny molekularne mogłyby znacznie przyspieszyć tempo, w jakim można wyszukiwać nowe, ulepszone warianty cząstek.

Przemysł kosmiczny

Enzymy to potężne katalizatory używane w wielu gałęziach przemysłu – od biomedycyny po produkcję. Enzymy występujące w naturze umożliwiły osiągniecie w warunkach laboratoryjnych tak istotnych postępów, jak opracowanie PCR i CRISPR, mają też ogromny potencjał w zakresie zwiększenia możliwości ekologicznych odmian chemii. Dalszy rozwój w tym kierunku wymaga uzyskania enzymów niewystępujących w przyrodzie, takich, które umożliwiłyby prowadzenie sztucznych procesów chemicznych w celu uzyskania potrzebnych nam funkcji i produktów. Jednak ich projektowanie jest żmudnym procesem, ograniczonym dostępną mocą obliczeniową i kosztami pracy. Partnerzy finansowanego ze środków UE projektu ProFF starali się rozwiązać te kwestie za pomocą nowego układu umożliwiającego uzyskanie ukierunkowanej ewolucji enzymów. „Enzymy są potrzebne w licznych zastosowaniach, bardzo często takie, których nie spotykamy w naturze. Potrzebujemy enzymów bardziej wydajnych, odporniejszych na temperaturę i inne warunki”, wyjaśnia koordynator projektu Yannick Rondelez, badacz na ESPCI oraz CNRS. Rondelez, który pierwotnie zajmował się programowaniem molekularnym, odmianą biologii syntetycznej, postanowił zaprojektować biologiczne maszyny, które mogłyby działać bez żywego gospodarza, kodowane przez małe, krótkie odcinki syntetycznego DNA zwane oligonukleotydami. „Nie tworzymy ich do celów biochemicznych, ale do celów obliczeniowych”, mówi Rondelez. Układy te wykorzystują fakt, że proces ewolucyjny może działać jak algorytm, wybierając określone wyniki w ramach powtarzanych iteracji – w tym przypadku prowadzące do ulepszenia enzymów.

Programowanie molekularne

Typowe podejście do inżynierii białek obejmuje tworzenie wielu wariantów i kolejne testowanie ich aktywności. Następnie wybiera się najlepsze z nich i powtarza cały proces. Dlatego jest on wyjątkowo powolny i pracochłonny. „Im większa biblioteka wariantów, którymi można manipulować, tym większa jest szansa na znalezienie dobrego”, dodaje Rondelez. „Ale przy dużych bibliotekach tradycyjne podejście po prostu się nie sprawdza. Próbujemy ominąć to wąskie gardło i manipulować od razu bardzo dużą liczbą enzymów”. W tym celu Rondelez i jego koledzy próbowali przygotować program molekularny, który łączy fenotypową aktywność enzymu z replikacją genów. „Tworzymy emulsję z miliardem przedziałów genowych, z których każdy zawiera jeden wariant i program molekularny”, wyjaśnia. „Jeśli enzym przejawia prawidłową aktywność, uruchamia program molekularny i replikację własnego genu”. Podejście to wykorzystuje różne strategie łączenia fenotyp–genotyp, ponieważ należy sprawdzać wydajność enzymu i jednocześnie śledzić sekwencję genetyczną, która go wytwarza.

Spin-out diagnostyki

„Podczas trwania projektu pracowaliśmy dużo nad enzymami, w których substratem jest samo DNA: ligazy i tak dalej”, wyjaśnia Rondelez. „Ponieważ nasz program molekularny składa się z DNA, łatwo jest połączyć aktywność enzymatyczną z układem opartym na DNA. Należy jednak pamiętać, że to podejście było również możliwe w przypadku enzymów działających na substraty inne niż DNA, co udało się nam ostatecznie wykazać”. Projekt miał wsparcie ze strony Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych. „Pomogło mi to wyposażyć nowe laboratorium i zatrudnić nowy zespół”, mówi Rondelez, który aby kierować projektem, przeniósł się z Japonii do Francji. „Integracja wielu technik, w zakresie których nie jesteśmy specjalistami, była bardzo ryzykownym posunięciem. Na coś takiego można się porwać tylko przy dużym, długoterminowym wsparciu finansowym”. Dotąd opublikowano lub przesłano do publikacji liczne artykuły, a jeden aspekt badań doprowadził do powstania firmy spin-out zajmującej się diagnostyką. Rondelez mówi, że planuje poprawić dostępność i szybkość działania techniki, którą opracował z zespołem, umożliwiając tym samym optymalizację enzymów w ciągu kilku dni.

Słowa kluczowe

ProFF, enzym, ukierunkowane, ewolucja, oligonukleotydy, DNA, diagnostyka, sprzężenie, genotyp, fenotyp, replikacja, aktywność

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania