Dieser alternative Ansatz zur Schaffung künstlicher organischer Moleküle , genannt bioretrosynthesis , wurde zum ersten Mal vor vier Jahren von Brian Bachmann , Associate Professor für Chemie an der Vanderbilt University vorgeschlagen. Jetzt berichtet Bachmann und ein Team von Mitarbeitern , dass sie in der Methode , dass das Erzeugnis gelungen HIV Drogen Didanosin .
Der Proof of Concept -Experiment ist in einem Papier online von der Zeitschrift Nature Chemical Biology veröffentlicht wurde, beschrieben .
" In diesen Tagen Synthesechemiker kann fast jede erdenkliche Molekül in einem akademischen Laborbedingungen ", sagte Bachmann. " Aber sie können nicht immer machen sie billig oder in großen Mengen. Mit bioretrosynthesis , ist es theoretisch möglich , fast jedes organische Molekül aus einfachen Zuckern zu machen. "
Putting die natürliche Selektion in diesem Roman Mode verwenden eine andere Vorteil . " Wir brauchen eine grüne Alternative zur herkömmlichen Methode, um die Chemikalien Bioretrosynthesis bietet eine Methode, um umweltfreundliche Fertigungsprozesse zu entwickeln , weil es auf Enzymen beruht . - Die biologische Katalysatoren , die das Leben möglich zu machen - anstatt der hohen Temperaturen und Drücken , giftige Metalle , starke Säuren und Basen häufig von Synthesechemie benötigt ", sagte er .
Normalerweise sowohl Evolution und Synthesechemie gehen davon aus, einfach bis komplex . Kleine Moleküle werden kombiniert und modifiziert, um größere und komplexere Moleküle , die spezifische Funktionen durchführen lassen . Bioretrosynthesis arbeitet in der entgegengesetzten Richtung . Es beginnt mit dem letzten , gewünschten Produkt und verwendet dann die natürliche Auslese , eine Reihe von spezialisierten Enzymen, die das Endprodukt aus einer Kette von chemischen Reaktionen, die mit einfachen , handelsüblichen Verbindungen beginnen machen kann zu produzieren.
Bachmann hatte die Idee der Anwendung der natürlichen Selektion rückwärts aus der im Jahr 1945 von dem verstorbenen Caltech Genetiker Norman Horowitz vorgeschlagenen retro Evolution Hypothese. Horowitz vorgesehen ein frühes Stadium in der Entwicklung des Lebens, in dem frühen Organismen wurden in einer Ursuppe reich an organischem Material schwimmen . In diesem Umfeld vorstellen, dass eine der Arten eine Verwendung für das komplexe chemische Verbindung ein , die ihm einen Wettbewerbsvorteil findet . Als Ergebnis seiner Bevölkerung erweitert , verbrauchen mehr und mehr Verbindung A. Alles geht gut, bis die Verbindung A wird knapp . Wenn das passiert, Personen, die ein Enzym, das sie zu den noch reichlich Verbindung B für die knappe Verbindung ersetzen einen Gewinn ein Fortpflanzungsvorteilund weiter wachsen , während diejenigen, die abhängig von Verbindung A bleiben aussterben können zu entwickeln. Und so geht es erst viele Generationen später die Überlebenden haben mehrstufigen chemischen Wege entwickelt, um die Moleküle, die sie von den in ihrem Umfeld Moleküle Überleben brauchen zu produzieren.
Um Bachmanns retro Ansatz zu testen, die Vanderbilt Chemiker zunächst identifiziert die Droge , die sie produzieren wollte - in diesem Fall Didanosin, ein Anti- HIV-Medikament unter den Handelsnamen von Videx und Videx EG , die sehr teuer in der Herstellung ist verkauft. Dann identifiziert sie eine ähnliche "Vorläufer" Molekül, das in Didanosin umgewandelt werden kann , wenn es an einen bestimmten chemischen Umwandlung zusammen mit einem Enzym, das zur Herstellung der Art der Transformation erforderlich ist .
Sobald sie das Enzym identifiziert , machten die Forscher Nutzung der Kraft der natürlichen Selektion , indem sie Tausende von Kopien des Gens , das das Enzym mit einem speziellen Kopiertechnik , die zufällige Mutationen einführt macht .
Die mutierten Gene wurden in den Darmbakterien übertragen E. coli um die mutierten Enzyme zu produzieren und in verschiedene gelegt " Brunnen ". Nachdem die Zellen aufgebrochen und die Inhalte mit der Vorläuferverbindung , wobei die Menge von Didanosin , jeweils gut gemischt wurde gemessen. Die Forscher , die das Enzym ausgewählt , die die größte Menge des gewünschten Arzneimittels hergestellt und dann genug gemacht dieses optimierten Enzym für den nächsten Schritt .
Als nächstes werden die Forscher eine zweite Vorläufer - eine noch einfachere Molekül, das chemisch in die erste Vorstufe umgesetzt werden könnten - und eine zugehörige transformative Enzym . Auch sie machten Tausende von mutierten Versionen der transformaEnzymGens, fügte sie in E. coli , steckte sie in Brunnen, brachen die Zellen und vermischt den Inhalt mit der optimierten Enzym und zweiten Vorläufer . Wiederum testeten sie alle Vertiefungen für die Anti- HIV-Medikamenten . Das Loch mit der höchsten Ebene der Didanosin war derjenige , in dem das mutierte Enzym am wirksamsten hinsichtlich der Herstellung der ersten Vorstufe, die den optimierten Enzym dann in Didanosin umgewandelt. Dies gab ihnen einen zweiten optimierten Enzym . Die Forscher führten diese umgekehrte Auswahl dreimal , bis sie könnte Didanosin aus einer einfachen und kostengünstigen Zucker namens Didesoxyribose machen .
Eine der wichtigsten technischen Herausforderungen wurden schnellen Bestimmung der dreidimensionalen Struktur der Enzyme , die während des Entwicklungsprozesses erzeugt wurden . Associate Professor für Pharmakologie Tina Iverson vorgesehen diese Fähigkeit. Ihr Team analysierten die Labor - entwickelten Enzyme nach jeder Runde der Mutagenese und identifiziert , wie die strukturellen Veränderungen durch die Mutationen verbessert die Fähigkeit des Enzyms , um die gewünschte Umwandlung zu produzieren.
Diese Informationen halfen die Mitarbeiter herausfinden, warum manche Enzym-Mutanten haben einen besseren Job bei der Herstellung der gewünschten Verbindungen als andere, die ihre Entscheidungen über den Bereichen der Vorläuferproteine zum Ziel geführt .
Der Proof-of -Concept- Experiment wurde in vitro statt in lebenden Zellen , die Dinge einfach zu halten durchgeführt . Allerdings ist das ultimative Ziel , den Ansatz zu verwenden, um künstliche Verbindungen durch Fermentation zu produzieren.