Continuous target-specific mutagenesis and rapid gene evolution by diversity-generating retroelements in Escherichia coli
Diese Arbeit zeigt, dass diversitätsgenerierende Retroelemente (DGRs) in *Escherichia coli* gentechnisch verändert und mit horizontalem Gentransfer gekoppelt werden können, um ein einfaches, programmierbares System für die kontinuierliche, iterative und positionsspezifische Mutagenese von Zielgenen zu schaffen, was die schnelle Evolution von Proteinen wie der Pyrrolyls-tRNA-Synthetase für biotechnologische Anwendungen ermöglicht.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich vor, Sie sind ein Meisterkoch, der versucht, ein neues Rezept zu erfinden. Sie könnten versuchen, das ganze Kochbuch auf einmal zu ändern, aber das ist chaotisch und würde wahrscheinlich das Gericht ruinieren. Oder Sie könnten versuchen, nur ein einziges spezifisches Gewürz in einem einzigen Satz zu ändern, aber das von Hand zu machen, ist langsam und mühsam. Dies ist die Herausforderung der „gerichteten Evolution“, einem wissenschaftlichen Feld, in dem Forscher versuchen, den Prozess von Natur und Versuch-und-Irrtum zu beschleunigen, um bessere Proteine, Medikamente und Materialien zu erschaffen. Lange Zeit mussten Wissenschaftler Chemikalien in einem Labor mischen, um zufällige Mutationen zu erzeugen, die Gewinner auszuwählen und dann von vorn zu beginnen. Es war, als würde man versuchen, eine bestimmte Nadel im Heuhaufen zu finden, indem man jede Stunde einen neuen Heuhaufen aufbaut. Kürzlich entdeckten Wissenschaftler einen Weg, dies innerhalb lebender Zellen zu tun, was es ihnen ermöglicht, kontinuierlich zu evolvieren. Diese lebenden „Fabriken“ wurden jedoch oft müde, verwirrt oder zerstörten genau die Anweisungen, denen sie eigentlich folgen sollten. Die große Frage war: Könnten wir ein System bauen, das einen spezifischen Teil eines Proteins immer wieder gezielt weiterentwickelt, ohne dass die Fabrik zusammenbricht oder die Anweisungen entstellt werden?
Dieses Paper stellt eine clevere Lösung namens HGT-DGR vor, die wie ein Hochgeschwindigkeits-, selbst erneuerndes Fließband für die Evolution von Proteinen fungiert. Die Forscher nahmen ein natürliches „Hypermutations“-System, das in Viren gefunden wird, genannt Diversity-Generating Retroelements (DGRs), und installierten es in E. coli-Bakterien. Stellen Sie sich den DGR wie einen magischen Fotokopierer vor, der nicht nur eine Seite kopiert, sondern absichtlich neue, zufällige Wörter auf bestimmte Buchstaben (nur den Buchstaben „A“) eines Zielsatzes schreibt. Das Problem war, dass dieser Fotokopierer unordentlich war: Er schrieb ständig auf sein eigenes Handbuch (das Template) herum, löschte schließlich die Regeln aus, die er brauchte, um weiterzuarbeiten, und die die DGR beherbergenden Bakterien erschöpften sich.
Um dies zu beheben, erfand das Team eine „Staffellauf“-Strategie. Anstatt eine Charge von Bakterien den Lauf bestreiten zu lassen, bis sie zusammenbrechen, übergeben sie den Staffelstab – das Gen, das evolvieren soll – alle paar Tage an eine frische, gesunde Gruppe von Bakterien. Dies taten sie mithilfe eines natürlichen bakteriellen Prozesses namens Konjugation, was so ähnlich ist, wie wenn zwei Bakterien sich die Hände schütteln und ein kleines, kreisförmiges Stück DNA (ein Plasmid) austauschen. Durch den ständigen Transfer des evolvierenden Gens in neue Wirte, die über ein frisches, unkorrumpiertes Handbuch verfügen, kann das System das Zielgen über Wochen hinweg mutieren lassen, ohne zusammenzubrechen.
Die Ergebnisse sind beeindruckend. Nachdem sie diesen Staffellauf sieben Tage lang durchgeführt hatten, fanden die Forscher heraus, dass etwa 40 % der Bakterien in der Kultur eine mutierte Version des Zielgens trugen. Die Mutationen waren kein zufälliges Chaos; sie waren präzise und trafen die vorgesehenen Stellen wie geplant. Das durchschnittliche Gen in der Bibliothek hatte etwa 6 % seiner „A“-Buchstaben verändert, was eine massive Diversität an neuen Proteinversionen schuf. Um zu beweisen, dass dies funktionierte, nutzten sie das System, um ein Enzym namens MmPylRS zu evolvieren, das dazu verwendet wird, spezielle, nicht-standardmäßige Bausteine zu Proteinen hinzuzufügen. Es gelang ihnen, das Enzym dazu zu führen, zwei verschiedene neue Bausteine zu akzeptieren, was zeigt, dass das System so umprogrammiert werden kann, dass es unterschiedliche Teile eines Gens angreift und neue Funktionen entwickelt. Das Paper legt nahe, dass diese Methode ein einfacher, kostengünstiger Weg ist, um riesige Bibliotheken von Proteinvarianten zu erzeugen, was unglaublich nützlich für das Design neuer Medikamente oder für das Training von Modellen der künstlichen Intelligenz sein könnte, um zu verstehen, wie Proteine funktionieren.
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