در پزشکی و بیوتکنولوژی ، توانایی توسعه پروتئین ها با عملکردهای جدید یا بهبود یافته بسیار مهم است ، اما روش های موجود اغلب کند و پر زحمت است. اکنون ، دانشمندان تحقیقاتی اسکریپس یک بستر زیست شناسی مصنوعی ایجاد کرده اند که خود تکامل را تسریع می کند – به محققان این امکان را می دهد تا پروتئین هایی را با ویژگی های جدید هزاران سریعتر از طبیعت توسعه دهند. سیستم T7-Oracle ، علم این یک پیشرفت در ۷ اوت ۲۰۲۵ و چگونگی محققان می تواند پروتئین های درمانی را برای سرطان ، تولید عصبی و در اصل سایر مناطق بیماری طراحی کند.
او می گوید: “این مانند دادن یک دکمه سریع به تکامل است.” “اکنون می توانید پروتئین های موجود در سلول ها را به طور مداوم و دقیقاً بهبود بخشید بدون اینکه به ژنوم سلول یا مراحل فشرده کار آسیب برساند.”
تکامل کارگردانی یک فرآیند آزمایشگاهی است که شامل معرفی جهش ها و انتخاب انواع با عملکرد پیشرفته در چند چرخه است. از این ماده برای تطبیق پروتئین هایی مانند آنتی بادی های بسیار انتخابی ، مرتد بالا ، مشخصات جدید یا آنزیم ها با خواص کاتالیزوری استفاده می شود یا برای بررسی ظهور جهش های مقاومت در اهداف دارویی. با این حال ، روش های سنتی معمولاً نیاز به دستکاری مکرر DNA و تورهای آزمایشی در هر دور دارند که به مدت یک هفته یا بیشتر طول می کشد. سیستم هایی برای تکامل مداوم – که در آن پروتئین ها در سلولهای زنده بدون مداخله دستی ایجاد می شوند – هر دور تقسیم سلولی (حدود ۲۰ دقیقه برای باکتری ها) با هدف تسهیل این روند با ارائه جهش و انتخاب همزمان انجام می شود. با این حال ، رویکردهای موجود محدود به پیچیدگی فنی یا نرخ جهش متوسط است.
T7-Oracle از طریق مهندسی از این تنگناها جان سالم به در می برد E. coli باکتریها – یک ارگانیسم مدل استاندارد در زیست شناسی مولکولی – برای میزبانی یک سیستم تکثیر DNA مصنوعی دوم که از باکتریوفاژ T7 حاصل می شود ، ویروسی که باکتری ها را آلوده می کند و در مقیاس بزرگ برای سیستم تکثیر ساده و مؤثر مورد بررسی قرار می گیرد. T7-Oracle بیش از حد مداوم و تکامل تسریع شده از bioacromolecules را فراهم می کند و به گونه ای طراحی شده است که برای بسیاری از اهداف پروتئین و مشکلات بیولوژیکی قابل استفاده است. از نظر مفهومی ، T7-Oracle بر روی سیستم های تولید مثل متعامد موجود ساخته شده و تلاش ها را گسترش می دهد-آنها به طور جداگانه از دستگاه های خود سلول-کار می کنند ساکارومایسس سرویز (مخمر بیکر) و Ecorep E. coliبشر در مقایسه با این سیستم ها ، T7-Oracle از ترکیب جهش بالا ، رشد سریع ، راندمان تحول بالا و سهولت هر دو بهره می برد. E. coli زیست شناسی مولکولی استاندارد می تواند در گردش کار ادغام شود.
سیستم ارتون Oracle T-7 فقط DNA پلاسمید (قسمت هایی از مواد ژنتیکی کوچک و دایره ای) را هدف قرار داده و ژنوم میزبان سلول را بدون لمس آن آزاد می کند. T7 DNA پلیمراز (آنزیم ویروسی که DNA را کپی می کند) تمایل به خطا دارد ، و محققان جهش را با سرعت ۱۰۰۰۰۰ برابر بیشتر از حد معمول قرار می دهند بدون اینکه به سلول های میزبان آسیب برساند.
کریستین دیرکس ، نویسنده مشترک ، استادیار شیمیایی در تحقیقات اسکریپس می گوید: “این سیستم نشان دهنده پیشرفت اساسی در تکامل است.” “به جای تکامل یک بار در هفته ، شما هر بار که سلول تقسیم می شود ، تور خواهید کرد – بنابراین واقعاً روند را تسریع می کند.”
به منظور نشان دادن قدرت T7-Oracle ، تیم تحقیق TEM-1 β- لاکتاماز را در سیستم ، یک ژن مقاومت آنتی بیوتیکی مشترک قرار داد. E. coli سلولهای افزایش دوزهای آنتی بیوتیک های مختلف. در کمتر از یک هفته ، این سیستم نسخه های مقاومت ۵۰۰۰ برابر بیشتر از اصل را به سطح آنتی بیوتیک آنزیم توسعه داد. این اثبات مفهوم با کپی کردن نه تنها سرعت و حساسیت T7-Oracle ، بلکه همچنین چگونگی مقاومت در پاسخ به آنتی بیوتیک ها ، علاقه خود را به دنیای واقعی نشان داد.
“بخش شگفت انگیز این بود که جهش هایی که از نزدیک می بینیم چقدر نزدیک جهش های مقاومت در دنیای واقعی در محیط های بالینی است.” “در بعضی موارد ، ما ترکیبات جدیدی را مشاهده کرده ایم که بهتر از آنچه در یک کلینیک مشاهده خواهید کرد ، کار می کنند.”
با این حال ، diercks تأکید می کند که این مطالعه بر مقاومت آنتی بیوتیکی متمرکز نشده است.
وی توضیح می دهد: “این مقاله ای در مورد TEM-1 β-lactamaz نیست.” “این ژن فقط یک معیار مشخص شده برای نشان دادن نحوه عملکرد سیستم بود. نکته مهم این است که اکنون می توانیم تقریباً در هر روز به جای ماه ها پروتئین مانند اهداف داروهای سرطانی و آنزیم های درمانی ایجاد کنیم.”
پتانسیل گسترده تر T7-Oracle در سازگاری به عنوان بستر مهندسی پروتئین نهفته است. اگرچه در سیستم قرار داده شده است E. coliباکتری ها در درجه اول به عنوان کشتی برای تکامل مداوم عمل می کنند. دانشمندان ، مردم ، ویروس ها یا منابع دیگر می توانند ژن ها را به پلاسمیدها اضافه کنند ، که سپس در آن وارد می شوند E. coli سلول ها T7-Oracle با تولید پروتئین های مختلف که می توانند برای عملکرد بهبود یافته یا انتخاب شوند ، این ژن ها را جهش می دهد. چون E. coli رشد آن آسان است و به طور گسترده در آزمایشگاه ها مورد استفاده قرار می گیرد ، یک سیستم مناسب و مقیاس پذیر برای بهبود تقریباً انواع پروتئین فراهم می کند.
این می تواند به دانشمندان کمک کند تا آنتی بادی ها را سریعتر برای هدف قرار دادن سرطان های خاص ، توسعه آنزیم های درمانی مؤثرتر و بهبود پروتئین های طراحی پروتئین در سرطان و بیماری عصبی ایجاد کنند.
Diercks می گوید: “آنچه هیجان انگیز است این است که محدود به بیماری یا نوعی پروتئین نیست.” “از آنجا که سیستم می تواند خصوصی سازی شود ، می توانید دوباره در هر یک از این موارد قرار بگیرید و آن را به سمت توابع مورد نیاز خود توسعه دهید.”
علاوه بر این ، با استاندارد T7-oracl کار می کند E. coli فرهنگ ها و گردش کار آزمایشگاهی به طور گسترده ای از پروتکل های پیچیده مورد نیاز سایر سیستم های تکاملی مداوم جلوگیری می کنند.
“مهمترین چیزی که این موضوع را متمایز می کند این است که چقدر آسان است.” “هیچ تجهیزات و تخصص خاصی لازم نیست. اگر قبلاً با هم کار می کنید E. coliاحتمالاً می توانید از این سیستم با حداقل تنظیمات استفاده کنید. “
T7-Oracle منعکس کننده هدف وسیع Schultz است: برای بازسازی فرآیندهای اساسی بیولوژیکی مانند تکثیر DNA ، رونویسی RNA و ترجمه پروتئین ، بنابراین به طور مستقل از سلول میزبان کار می کند. این جدایی به دانشمندان این امکان را می دهد تا این فرایندها را بدون ایجاد اختلال در فعالیت سلولی طبیعی دوباره برنامه ریزی کنند. با جدا کردن فرآیندهای اساسی از ژنوم ، ابزارهایی مانند T7-Oracle به پیشرفت زیست شناسی مصنوعی کمک می کنند.
“در آینده ، ما علاقه مند به استفاده از این سیستم برای بهبود پلیمرازها هستیم که می توانند اسیدهای نوکلئیک غیر طبیعی تولید کنند: مولکول های مصنوعی با ویژگی های شیمیایی جدید که شبیه DNA و RNA است“ Dierckers می گوید. “این امکانات ژنومی مصنوعی را که تازه شروع به کشف آن کرده ایم باز می کند.”
در حال حاضر ، تیم تحقیقاتی بر توسعه آنزیم های ناشی از انسان برای استفاده درمانی و پروتئی برای تشخیص توالی پروتئین خاص مرتبط با سرطان متمرکز شده است.
شولتز می گوید: “رویکرد T7-Oracle بهترین های هر دو جهان را ترکیب می کند.” “ما اکنون می توانیم طراحی پروتئین منطقی را با تکامل ترکیب کنیم تا مولکول های عملکردی با کارآمدتر از همیشه کشف شود.”
علاوه بر نویسندگان این مطالعه ، Diercks و Schultz ، “T7 عمود بر هم برای بیش از حد مداوم و تکامل تسریع در E. coli پاسخ می دهد“فیلیپ سونمنمن ، سینتیا رونگ ، توماس جی گلیس ، یاهوی بان ، سلین وانگ و دیوید ا. دیک از تحقیقات اسکریپس.
این مطالعه با تأمین اعتبار از موسسات ملی بهداشت (RGM145323A GIBE) پشتیبانی شد.