Continuous target-specific mutagenesis and rapid gene evolution by diversity-generating retroelements in Escherichia coli
Questo articolo dimostra che i retroelementi generatori di diversità (DGR) possono essere ingegnerizzati in *Escherichia coli* e accoppiati con il trasferimento genico orizzontale per creare un sistema semplice, programmabile, per la mutagenesi continua, iterativa e sito-specifica di geni bersaglio, consentendo l'evoluzione rapida di proteine come la pirrolisil-tRNA sintetasi per applicazioni biotecnologiche.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Immaginate di essere un maestro chef che cerca di inventare una nuova ricetta. Potreste provare a cambiare l'intero ricettario tutto in una volta, ma sarebbe caotico e probabilmente rovinerebbe il piatto. Oppure, potreste provare a cambiare solo una specifica spezia in una singola frase, ma farlo a mano è lento e noioso. Questa è la sfida dell' "evoluzione diretta", un campo della scienza in cui i ricercatori cercano di accelerare il processo di tentativi ed errori della natura per creare migliori proteine, medicinali e materiali. Per molto tempo, gli scienziati hanno dovuto mescolare sostanze chimiche in un laboratorio per creare mutazioni casuali, scegliere i vincitori e poi ricominciare da capo. Era come cercare di trovare un ago specifico in un pagliaio costruendo un nuovo pagliaio ogni ora. Recentemente, gli scienziati hanno scoperto un modo per farlo all'interno di cellule viventi, permettendo loro di evolversi continuamente. Tuttavia, queste "fabbriche" viventi spesso si stancavano, si confondevano o degradavano le stesse istruzioni che avrebbero dovuto seguire. La grande domanda era: saremmo in grado di costruire un sistema che continui a evolvere una parte specifica di una proteina, ripetutamente, senza che la fabbrica collassi o le istruzioni vengano stravolte?
Questo articolo presenta una soluzione ingegnosa chiamata HGT-DGR, che agisce come una linea di montaggio ad alta velocità e a rinnovamento continuo per l'evoluzione delle proteine. I ricercatori hanno preso un sistema naturale di "iper-mutazione" presente nei virus, chiamato Retroelementi Generatori di Diversità (DGR), e lo hanno installato all'interno di batteri E. coli. Pensate al DGR come a una fotocopiatrice magica che non si limita a copiare una pagina; essa scarabocchia intenzionalmente nuove parole casuali su lettere specifiche (solo la lettera 'A') di una frase bersaglio. Il problema era che questa fotocopiatrice era disordinata: continuava a scarabocchiare sul proprio manuale di istruzioni (il template), finendo per cancellare le regole necessarie per continuare a lavorare, e i batteri che ospitavano il sistema si esaurivano.
Per risolvere questo problema, il team ha inventato una strategia a "staffetta". Invece di lasciare che un singolo lotto di batteri corra la gara fino al collasso, passano il testimone — il gene che si vuole far evolvere — a un nuovo gruppo di batteri sani ogni pochi giorni. Ci sono riusciti utilizzando un processo batterico naturale chiamato coniugazione, che è come due batteri che si stringono la mano e si scambiano un piccolo pezzo circolare di DNA (un plasmide). Spostando costantemente il gene in evoluzione in nuovi ospiti che possiedono un manuale di istruzioni fresco e non corrotto, il sistema può continuare a mutare il gene bersaglio per settimane senza interrompersi.
I risultati sono impressionanti. Dopo aver fatto correre questa staffa per sette giorni, il team ha scoperto che circa il 40% dei batteri nella coltura portava una versione mutata del gene bersaglio. Le mutazioni non erano caos casuale; erano precise, colpendo punti specifici come previsto. Il gene medio nella libreria aveva circa il 6% delle sue lettere "A" cambiate, creando una enorme diversità di nuove versioni proteiche. Per dimostrare che questo funzionava, hanno usato il sistema per far evolvere un enzima chiamato MmPylRS, utilizzato per aggiungere blocchi di costruzione speciali e non standard alle proteine. Hanno guidato con successo l'enzima ad accettare due diversi nuovi blocchi di costruzione, dimostrando che il sistema può essere riprogrammato per colpire diverse parti di un gene ed evolvere nuove funzioni. L'articolo suggerisce che questo metodo è un modo semplice ed economico per generare enormi librerie di varianti proteiche, il che potrebbe essere incredibilmente utile per progettare nuovi farmaci o per addestrare modelli di intelligenza artificiale a comprendere come funzionano le proteine.
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