合成蛋白质包装其自身的遗传物质并进化

从头开始设计和构建以携带分子货物的蛋白质组件正在推进合成生命研究和针对靶向药物递送的工程努力。

科学家们成功开发了第一个报道的合成蛋白质组装体,这些蛋白质组装体包裹着自己的遗传物质,并在复杂的环境中发展出新的特征。

这一进展源于华盛顿大学医学院和华盛顿大学其他领域的分子工程项目,旨在创建有针对性的药物输送系统。合成蛋白质组件是计算机设计的。它们之前不存在,直到它们在实验室中形成。

科学家们在寻找新方法将治疗性货物运输到特定类型的细胞而不使用病毒作为载体时创建了这些组件。

“有针对性的药物输送是医学中一个尚未解决的主要需求,”Lajoie指出,“目前,研究人员正在使用有效但难以设计的病毒,或者他们正在使用聚合物纳米粒子,这些粒子是可操作的,但在靶向递送方面效果较差“。

除了它们在生物医学应用方面的潜力之外,新设计的蛋白质组件可能在合成生命研究中具有开创性。它们被认为是第一个用于包装其自身遗传物质并发展新特性的全合成组件。这些通常与生物有关。

这项工作是在华盛顿大学医学院的UW医学研究人员David Baker和生物化学助理教授Neil King的实验室进行的。和Suzie Pun,UW的Robert F. Rushmer生物工程教授。

新的蛋白质组装是核衣壳的合成版本 - 基因组容器。大多数病毒用蛋白质外壳包围其遗传物质。合成核衣壳的构造类似于病毒壳,它像飞机或船的货舱一样可以保护和运输货物。

Lajoie解释说,与活病毒不同,这些合成遗传货物载体不能复制自己繁殖。巴特菲尔德补充道,“尽管如此,它们在基因组包装效率方面与病毒相媲美,并且更加简单易行。”

将计算设计与进化相结合为开发新的生物功能提供了新的机会。通过这种方式,研究人员观察到,生物医学应用所需的复杂特性被引入这些蛋白质组件中。这些包括改进其包装RNA的能力,增强的抗血性(其具有通常会降解这种组装的物质),以及活体小鼠的循环时间更长。

每个属性的改进来自衣壳的特定区域的变化。最初的包装来自重新设计内部以静电捕获RNA。在此之后,进化步骤是:进化内部以更好地促进RNA包装,发展保护免受RNA损伤酶和血液中的其他驱逐者,并进化外部以增加活小鼠的循环时间。

包装遗传材料对生物至关重要。它保留了作为DNA或RNA分子以化学形式存在的生命代码。

“我们根据两种完全不相关的蛋白质从头开始设计合成核衣壳,”Lajoie说。“这很令人兴奋,因为我们能够设计出对生活至关重要的功能,而无需使用现有的细胞作为模板。”

未来的工作将继续采用组合的设计和进化策略,以尝试优化蛋白质组件在复杂环境中的功能,例如活体组织中的蛋白质组件。

“到目前为止,我们对进化如何有效解决我们的问题感到惊讶。我们希望在我们追求下一个目标时继续这样做:将治疗性货物运送到动物的特定细胞中,”巴特菲尔德说。