Ansökan: Proteinsyntes: mekanismer och ingenjörskonst med onaturliga aminosyror

Tidsperiod:

1 januari 2012 – 31 december 2014

Projektledare:

Anthony Forster

Projektdeltagare:

Tyson Shepherd, Marek Kwiatkowski

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

3 000 000 SEK

Proteinerna styr livets kemiska aktiviteter och är byggstenar i dess strukturer. De sammanfogas av 20 olika (naturliga) aminosyror av en molekylär maskin kallad ribosomen i en komplicerad process, central för celltillväxt och för all biologi. Proteinsyntesmaskineriet i bakterier är det viktigaste målet för antibiotika, och utveckling av nya läkemedel har återigen fått högsta medicinska prioritet på grund den snabbt framväxande antibiotikaresistensen hos sjukdomsalstrande bakterier. Proteinsyntesen är viktig inom biomedicinsk forskning och bioteknik också för syntes av enzymer, hormoner och antikroppar. Sådana tillämpningar kan utvidgas och effektiviseras genom att man låter proteinsyntesen ske i provrör och utnyttjar andra typer av (onaturliga) aminosyror än de 20 som cellerna vanligen använder. Ett kritiskt hinder för framsteg i området utgörs av den sedan decennier rådande paradigmen att proteinsyntesens långsammaste steg (dess Akilleshäl) är förflyttning av ett av dess substrat (aminoacyl-tRNA) in i ribosomens centrum för aminosyrepolymerisering (ackommodering). Våra observationer av ett system för proteinsyntes i provrör med renade komponenter utmanar nu denna dogm och föreslår att det långsammaste steget i själva verket är den kemiska sammanlänkningen av aminosyrorna (peptidbindningen). Detta grundforskningsproblem har varit notoriskt svårt att angripa, men vi är hjälpta av att Uppsala universitet är ledande inom området. Vi planerar att placera mer kemiskt reaktiva aminosyror i ribosomens polymeriseringscentrum (P-sätet) än de 20 naturliga och studera hur detta påverkar hastigheten i proteinsyntesen (Mål 1). Om proteinsyntesen därigenom går fortare, visar detta att den gamla ackommoderingshypotesen måste vara felaktig. Andra kritiska hinder i området är det låga polymeriseringsutbytet vid användning av onaturliga aminosyror och att det saknas användbar kunskap om varför utbytet är så lågt. Vi avser att identifiera det långsammaste polymeringssteget för onaturliga aminosyror och klargöra varför polymeringsutbytet för dessa är så lågt (Mål 2). Med den så vunna kunskapen skall vi förbättra tekniken för polymerisering med onaturliga aminosyror (Mål 3). Vår arbetshypotes är att ett annat av ribosomens substrat (peptidyl-tRNA) ramlar av ribosomen med en hastighet jämförbar med polymeriseringshastigheten. Redan våra preliminära observationer föreslår ett antal lovande tillvägagångssätt för polymerisering med onaturliga aminosyror, som t.ex. modifierad aminosyreaktivering, användning av alternativa aminosyrebärande molekyler (tRNA) och inkorporering långt inne i växande proteinpolymerer. Denna förbättrade kunskap förväntas bli viktig för tillverkning av nya typer av proteinmutanter, för studier av proteinstruktuer och för upptäckt av nya läkemedel genom styrd evolution av små proteiner som innehåller onaturliga aminosyror (peptidomimetik). Onaturliga aminosyror är både önskade och vanliga komponenter i läkemedel, då de endast långsamt bryts ner i kroppen och lätt tar sig in i våra celler; egenskaper vilka både ökar läkemedlets aktivitet och den mängd sjukdomsalstrande mål det kan attackera. Sammanfattningsvis förväntas projektets grundforskning omkullkasta den rådande dogmen om vilket steg som är långsammast i proteinsyntesen, tillföra en länge saknad kunskap om varför ribosombaserad polymerisering med onaturliga aminosyror ger lågt utbyte och leda till nya och effektiva metoder för inkorporering av onaturliga aminosyror i små proteiner för biomedicinska tillämpninar och läkemedelsupptäckter.