ds足球即时比分科学家们设计了具有扩展遗传密码的细菌,通过研究这些工程生物中的一种 -

2020-04-01 作者:创新快车道   |   浏览(198)

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近年来,科学家们设计了具有扩展遗传密码的细菌,这些细菌产生的蛋白质由更广泛的分子构建块组成,为蛋白质工程开辟了前景。

斯克里普斯研究中心的科学家及其合作者创造了微生物,这些微生物可能概括了数十亿年前被认为生存过的生物的关键特征,使他们能够探索生命如何从无生命分子进化到单细胞生物体到复杂的多细胞生命形态的问题。今天看。

现在,斯克里普斯研究的科学家已经证明,这种合成细菌可以在实验室中进化蛋白质,使用自然界20个氨基酸构建模块可能无法实现的机制增强特性。

通过研究这些工程生物中的一种 - 一种基因组由核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)组成的细菌 - 科学家们希望能够揭示遗传物质的早期进化,包括理论化的过渡世界。生命完全依赖于遗传分子RNA,其中DNA作为遗传信息的主要仓库。

研究人员发现,一些细菌会将细菌与人工扩增的遗传密码暴露在无法正常生长的温度下,从而进化出新的耐热蛋白质,这些蛋白质在通常会失活的温度下保持稳定。研究人员在美国化学学会期刊(JACS)上报道了他们的发现。

使用第二种工程生物,一种含有内共生细菌的转基因酵母,他们希望更好地了解被称为线粒体的细胞能植物的起源。线粒体为真核生物的细胞提供必需的能量,真核生物是一大群生物

实际上,地球上的每个生物体都使用与构建块相同的20个氨基酸来制造蛋白质 - 这些大分子可以发挥大部分细胞功能。JACS论文的高级作者兼Scripps Research总裁兼首席执行官Peter Schultz博士开创了一种重新编程细胞自身蛋白质生物合成机制的方法,为蛋白质添加新的氨基酸,称为非经典氨基酸(ncAAs),常见的20种氨基酸中没有的化学结构和性质。

  • 包括人类 - 拥有复杂的含核细胞。

这种扩展的遗传密码在过去被用于合理设计具有新特性的蛋白质,用作研究蛋白质如何在细胞中起作用的工具以及作为癌症的新的精确工程药物。研究人员现在询问,具有扩展遗传密码的合成细菌是否比那些限制在20个构建模块的细菌具有进化优势

研究人员报告了两篇论文中的微生物工程,其中一篇发表于2018年10月29日的美国国家科学院院刊(PNAS),另一篇发表于2018年8月30日的美国化学学会期刊(JACS)。

  • 从进化健身的角度来看,21个氨基酸的代码是否优于20个氨基酸的代码?

这些工程化生物将使我们能够探索关于生物体进化中主要里程碑的两个关键理论 - 从RNA世界到DNA世界的过渡以及从原核生物到线粒体真核生物的过渡,高级博士Peter Schultz博士说。论文作者和斯克里普斯研究院院长。访问易于操作的实验室模型使我们能够寻找有关早期进化的问题的答案,这些问题以前是难以处理的。

自从我们第一次扩大可以掺入蛋白质的氨基酸范围以来,已经开始使用这些系统来设计具有新特性或增强特性的分子,Schultz说。在这里,我们已经证明,将扩展的遗传密码与实验室进化相结合可以创造出具有增强特性的蛋白质,这些蛋白质在自然界更有限的情况下可能无法实现。

几千年来,地球上的生命起源一直是人类的魅力所在。科学家追溯了几十亿年的生命弧,并得出结论认为,最简单的生命形式来自地球的原始化学汤,随后逐渐进化为越来越复杂的生物。DNA的出现带来了巨大的飞跃,这种分子可以存储复制生命所需的所有信息,并指导细胞机器主要通过产生RNA进行竞标,而RNA又可以指导蛋白质的合成,蛋白质是细胞中的分子工具。

科学家们首先调整了大肠杆菌的基因组,以便细菌可以使用21个氨基酸代码而不是常见的20个氨基酸代码生成蛋白质高丝氨酸o-琥珀酰转移酶(metA)。一种重要的代谢酶metA决定了大肠杆菌繁殖的最高温度。高于该温度,metA开始失活,细菌死亡。研究人员随后制作了metA的突变体,其中天然蛋白质中的几乎任何氨基酸都可被第21个非常规氨基酸取代。

在20世纪60年代,Carl Woese和Leslie Orgel以及DNA先驱弗朗西斯克里克提出,在DNA之前,生物依靠RNA来携带遗传信息,这种分子相似但远不如DNA稳定,也可催化蛋白质等化学反应。 。在科学课上,学生们了解到DNA导致RNA导致蛋白质 - 这是生物学的核心教条 - 但RNA世界的假设将其转变为头脑,新论文的第一作者Angad Mehta博士说。和Scripps Research的博士后研究员。对于RNA世界的假设是正确的,你必须以某种方式从RNA到达DNA基因组,然而如何发生这种情况仍然是科学家们面临的一个非常大的问题。

在这一点上,他们让自然选择 - 进化的核心机制 - 发挥其神奇作用。通过将细菌加热到44摄氏度 - 正常的metA蛋白无法发挥作用的温度,结果细菌无法生长 - 科学家们对细菌群体施加了选择性压力。正如预期的那样,一些突变细菌能够存活超过其典型的温度上限,这要归功于拥有更加热稳定的突变体metA

一种可能性是转变通过一种微生物缺失环节继续进行,这种复制生物将遗传信息存储为RNA。对于JACS研究,Scripps Research领导的团队创​​造了大肠杆菌细菌,这些细菌利用核糖核苷酸(通常用于构建RNA的分子构建模块)部分构建其DNA。这些工程基因组含有高达50%的RNA,因此同时代表了一种新型的合成生物,可能是数十亿年前的回归。

  • 所有其他细菌都死亡。

Mehta提醒说,到目前为止,他们的工作主要集中在表征这种嵌合RNA-DNA基因组及其对细菌生长和复制的影响,但尚未明确探讨从RNA世界向DNA世界过渡的问题。但是,他说,大部分基因组由RNA组成的大肠杆菌可以存活和复制是显着的,并且似乎支持存在具有杂交RNA-DNA基因组的进化过渡生物的可能性。Scripps研究团队正在研究其工程化大肠杆菌的混合基因组如何发挥作用,并计划利用这些细菌来探索许多进化问题。

通过这种方式,研究人员能够驱动细菌进化出一种突变的metA酶,它可以承受比正常温度高21度的温度,几乎是人们通常在限制在普通20氨基酸建筑物内的突变时所达到的热稳定性增加的两倍。块。

例如,一个问题是RNA的存在是否导致快速遗传漂变 - 群体中基因序列随时间的大变化。科学家推测,在早期进化过程中发生了大规模的遗传漂变,RNA基因组的存在有助于解释遗传变化如何迅速发生。

研究人员随后确定了导致突变体metA的特定基因序列变化,并发现它是由于其一种非经典氨基酸的独特化学特性,实验室进化以一种巧妙的方式来稳定蛋白质。

在PNAS发表的论文中,研究人员报告了工程学的另一个实验室模型,该模型是一个超过15亿年前发生的进化里程碑。他们创造了一种依赖于生活在其内部的细菌能量的酵母作为有益的寄生虫或内共生体。这种复合生物将使他们能够研究线粒体的古老起源

令人惊讶的是,如何利用自然界中不存在的新氨基酸进行这种小突变,可以显着提高蛋白质的物理性质,Schultz说。

  • 细小的细菌样细胞器,它们在所有高等生物的细胞内产生化学能。

这个实验提出了20个氨基酸代码是否是最佳遗传密码的问题 - 如果我们发现具有扩展代码的生命形式将具有进化优势,如果上帝在第七天工作,我们会怎样在代码中添加了几个氨基酸?

人们普遍认为线粒体是由较大的单细胞生物捕获的普通细菌进化而来的。它们在单元格中执行几个关键功能。最重要的是,它们作为氧气反应器,使用O2来制造细胞的基本化学能单位,即ATP。线粒体与细胞一样至关重要,它们的起源仍然有些神秘,尽管有一种更为独立的生物体有明显的下降暗示,这种生物被广泛认为是一种细菌。

除了Schultz之外,该研究的作者,用基因编码的非经典氨基酸增强蛋白质稳定性,包括Scripps Research的Jack C. Li,Tao Liu,Yan Wang和Angad P. Mehta。该研究得到了美国国立卫生研究院的支持(授予R01 GM062159)。

线粒体具有类似于某些细菌的双膜结构,并且再次像细菌一样含有它们自己的DNA。对线粒体基因组的分析表明,它与现代立克次氏体细菌共享一个古老的祖先,它可以存活在宿主的细胞内并引起疾病。对线粒体理论的细菌起源的更强支持将来自实验,该实验表明,独立的细菌确实可以在进化过程中转化为线粒体样共生体。为此,Scripps研究科学家设计了大肠杆菌细菌,这些细菌可以生长,依赖并为酿酒酵母(也称为面包酵母)的细胞提供关键辅助。

研究人员开始修改大肠杆菌缺乏编码硫胺的基因,使细菌依赖酵母细胞来获得这种必需的维生素。同时,他们在细菌中添加了转运蛋白ADP / ATP转基因基因,使细菌细胞内产生的ATP被提供给它们的酵母细胞宿主 - 模仿真实线粒体的核心功能。该团队还修改了酵母,使其自身的线粒体缺乏提供ATP的能力。因此酵母将依赖细菌进行正常的,基于线粒体的ATP产生。

研究小组发现,一些工程菌经过表面蛋白修饰,以保护它们免受酵母的破坏,与宿主和谐共生40多代,并且无限期地存在。改良的细菌似乎在酵母中积累了新的突变,以更好地适应他们的新环境,舒尔茨说。

随着该系统的建立,该团队将尝试将大肠杆菌进化成为线粒体样细胞器。对于新的大肠杆菌内共生体,适应酵母内的生命可以使其有机会从根本上改变其基因组。例如,典型的大肠杆菌细菌有数千个基因,而线粒体已经进化出仅仅37个的精简组。

ds足球即时比分 ,Scripps研究团队通过进一步的基因扣除实验完成了研究,结果很有希望:他们发现它们不仅可以消除大肠杆菌硫胺基因,还可以消除代谢分子NAD和氨基酸生成的基因。丝氨酸,仍然可以实现共生。

我们现在正在努力表明我们可以删除制造所有20种氨基酸的基因,这些氨基酸是大肠杆菌基因组的重要组成部分,Schultz说。一旦我们实现了这一目标,我们将继续删除用于合成辅因子和核苷酸的基因,并且在几年内我们希望能够获得真正最小的内共生基因组。

研究人员还希望使用类似的endosymbiont-host系统来研究进化过程中的其他重要事件,例如叶绿体,光吸收细胞器的起源,这些细胞器在向植物提供能量方面具有类似线粒体的作用。

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