Un cavallo di Troia per gli aminoacidi artificiali

La vita utilizza 20 blocchi di aminoacidi, a partire dai quali vengono assemblate le proteine. Sebbene la limitazione del numero a 20 blocchi di costruzione consenta un'ampia varietà di strutture e funzioni proteiche, essa stabilisce anche chiari confini chimici. In laboratorio, tuttavia, i chimici possono teoricamente sintetizzare migliaia di aminoacidi artificiali, molti dei quali hanno proprietà completamente nuove.

Questi mattoni artificiali possono essere incorporati in modo specifico nelle proteine delle cellule viventi utilizzando metodi biotecnologici. "Le proteine con aminoacidi innaturali inseriti in modo specifico aprono molte nuove possibilità sia per applicazioni mediche e industriali sia per la ricerca scientifica", spiega Kathrin Lang, professore di biologia chimica al Politecnico di Zurigo.

Nuove terapie e potenti enzimi

Gli amminoacidi artificiali aprono nuove possibilità in tutti i settori delle applicazioni basate sulle proteine. Grazie a gruppi chimici aggiuntivi, le proteine terapeutiche possono funzionare in modo più efficace e mirato. Componenti fluorescenti o molecole con atomi come il cloro o il fluoro, che normalmente non sono presenti nelle proteine, possono migliorare le tecniche di imaging in medicina e nella ricerca. È possibile creare enzimi con nuove capacità catalitiche e utilizzare specifici amminoacidi reticolanti per produrre proteine che funzionano in modo efficiente anche in condizioni esterne estreme, come il calore o la pressione. Inoltre, speciali gruppi di accoppiamento permettono di attaccare le sostanze attive alle proteine trasportatrici per un trasporto affidabile dei farmaci nei tessuti malati.

Dirottare un sistema di trasporto batterico

Finora, l'inserimento mirato di aminoacidi sintetici nelle proteine è stato significativamente meno efficiente rispetto alla produzione di proteine che comprendono solo i 20 aminoacidi naturali. Le applicazioni sono state quindi generalmente limitate a progetti di ricerca su piccola scala. Un ostacolo significativo è rappresentato dal fatto che spesso solo quantità minime di aminoacidi innaturali entrano nei batteri utilizzati per la produzione biotecnologica.

Ora il gruppo di Lang ha sviluppato una soluzione che consente di introdurre in modo efficiente gli aminoacidi artificiali nei batteri. Ciò significa che la "cassetta degli attrezzi degli aminoacidi" può essere ampliata per un uso diffuso in medicina e nell'industria biotecnologica. A tal fine, i ricercatori hanno dirottato un sistema di trasporto naturale del batterio E. coli. Questo sistema serve normalmente a trasportare brevi frammenti proteici, noti come peptidi, all'interno della cellula dall'area circostante.

Il sistema di trasporto è costituito da due unità: un canale nella membrana cellulare e un componente navetta. L'unità navetta riconosce i peptidi di lunghezza pari a tre o quattro amminoacidi e li consegna al canale, che li convoglia all'interno della cellula. Una volta lì, i peptidi vengono scomposti nei loro singoli blocchi di aminoacidi. Questi sono poi a disposizione del macchinario cellulare per sintetizzare nuove proteine. Poiché il sistema deve funzionare per tutte le combinazioni di aminoacidi naturali, non è particolarmente esigente. Anche i peptidi contenenti amminoacidi artificiali vengono convogliati, anche se spesso solo in piccole quantità.

Un approccio evolutivo al legame specifico

I biochimici dell'ETH hanno utilizzato due trucchi per consentire al sistema di trasporto di importare anche amminoacidi non naturali in grandi quantità. In primo luogo, hanno inserito questi aminoacidi in brevi peptidi sintetici, circondati da blocchi naturali. Il trasportatore permette prontamente il passaggio di questo "carico", come un cavallo di Troia molecolare.

In secondo luogo, i ricercatori hanno apportato modifiche mirate al componente della navetta. A tal fine, hanno determinato la struttura molecolare del sito di legame per i peptidi della navetta. Hanno poi modificato progressivamente e sistematicamente quest'area nel corso di esperimenti fino a quando il sito di legame è stato adattato a un peptide specifico con amminoacidi artificiali.

Per adattare il sito in questo modo, i ricercatori hanno utilizzato metodi che emulano l'evoluzione biologica ad alta velocità. Questo approccio può ora essere utilizzato per adattare il sistema di trasporto a un'ampia gamma di peptidi con amminoacidi non naturali. Ad esempio, il team è stato in grado di introdurre aminoacidi ingombranti o carichi negativamente che in precedenza non potevano essere importati nelle cellule.

"Gli aminoacidi innaturali sono ora disponibili in grandi quantità all'interno delle cellule di E. coli, il batterio più comunemente utilizzato nelle biotecnologie. Ciò consente di incorporare in modo efficiente vari blocchi artificiali nelle proteine utilizzando metodi di espansione del codice genetico", spiega Tarun Iype, dottorando del gruppo di Lang e uno degli autori principali dello studio.

"In molti casi, è quindi possibile produrre proteine di design contenenti aminoacidi innaturali con la stessa efficienza delle loro controparti naturali", aggiunge Maximilian Fottner, scienziato senior del gruppo di Lang, anch'egli autore principale dello studio. Il Politecnico di Zurigo ha presentato domanda di brevetto per il nuovo metodo.

Espansione del sistema ad altre molecole sintetiche

Il metodo funziona attualmente nei batteri E. coli. "Stiamo anche lavorando per progettare un sistema analogo nelle cellule umane", spiega Lang. "Questo sistema potrebbe essere utilizzato per produrre proteine simili a quelle umane con proprietà che le rendono più adatte a un'ampia gamma di applicazioni terapeutiche".

Tuttavia, i piani dei biochimici dell'ETH vanno oltre gli aminoacidi, come spiega Lang: "Vogliamo sviluppare ulteriormente il sistema in modo che possa importare anche altre molecole che prima non potevano entrare nelle cellule". Queste molecole importate potrebbero poi servire come materiali di partenza per la produzione biotecnologica efficiente di composti chimici complessi la cui sintesi è attualmente inefficiente o impossibile.