Биология

Новый метод направленной эволюции занимает менее недели

yourgenome/YouTube

Ученые из Университета Северной Каролины в Чапел Хилл разработали новую технологию направленной эволюции под названием VEGAS. Чтобы продемонстрировать возможности системы, исследователи получили мутантные белки и нанотела. Каждый процесс занял менее недели. Статья, посвященная результатам работ, была опубликована на страницах Cell.

Направленная эволюция — это искусственная ускоренная версия эволюционного естественного процесса. Концепция совсем не нова. Исследователи применяли ее на протяжении веков при отборе и селекции вариантов животных и растений, имеющих желаемые характеристики. В 1985 году биолог Джордж Смит установил, что бактериофаги — вирусы, поражающие бактерии, — можно применять в процессе эволюции новых белков. Впервые метод направленной эволюции ферментов применила Фрэнсис Арнольд в 1993 году. Грегори Винтер нашел применение метода для производства новых лекарств. Все трое были удостоены Нобелевской премии в 2018 году «за воссоздание природных процессов в лабораторных условиях».

Метод начинается с многократного внесения мутаций в ген — создания библиотеки вариантов. Варианты подвергаются отбору — несущие нужную функцию оставляют и увеличивают в количестве. Они становятся шаблоном для следующего раунда эволюции. Процесс может быть выполнен в живых организмах или in vitro — в клетках или в свободном растворе. Направленную эволюцию применяют для белковой инженерии — как альтернативу рациональному конструированию белков — и для изучения фундаментальных эволюционных принципов. Технология может быть полезна для создания новых терапевтических препаратов.

Однако существующие методы направленной эволюции трудоемки, требуют много времени и, как правило, работают в бактериальных клетках.

Брайан Рот и Джастин Инглиш при поддержке коллег разработали новый метод вирусной эволюции VEGAS (Viral Evolution of Genetically Actuating Sequences). В качестве носителя гена применили вирус Синдбис (Sindbis virus). Он инфицирует культуру клеток белком, подлежащим эволюции. Условия среды поддерживают только полезные мутации белков — те, которые позволяют активировать определенный рецептор или включать определенные гены. Частота мутаций — 10-3 на каждый нуклеотид ДНК за каждый раунд, что превосходит многие системы in vitro.

Для демонстрации лаборатория Рота модифицировала белок, называемый трансактиватором тетрациклина (tTA), который работает как переключатель для активации генов. Обычно tTA перестает работать, если встречается с антибиотиком тетрациклином или близкородственным доксициклином. Однако исследователи разработали новую версию белка с 22 мутациями, которая продолжает работать, несмотря на высокие уровни доксициклина. Процесс занял всего семь дней. Ранее описанный метод направленной эволюции млекопитающих потребовал четыре месяца, чтобы получить только две мутации в белке tTA.

Также ученые создали вечно активные крошечные GPCR-рецепторы под названием MRGPRX2 и показали потенциал системы для фармакологической индустрии на основе аллостерических нанотел. Оба процесса опять заняли менее недели. Сейчас команда применяет VEGAS для разработки высокоэффективных инструментов редактирования генома. Создание такой системы позволит лечить генетические заболевания на уровне ДНК и создавать нанотела для нейтрализации генов, вызывающих рак.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.