Amerikanske forskere har nået en ny milepæl i udviklingen af kunstigt liv: Det er lykkedes dem at få bakterier med kunstigt DNA – to unaturlige baser – til at producere proteiner.
De 'semikunstige' bakterier kan dermed fungere som en mini-fabrik, der producerer nye typer af proteiner, og det kan udnyttes til udvikling af ny medicin, påpeger forskerne bag studiet.
»Et af vores mål er at skabe nye protein-lægemidler,« fortæller den amerikanske professor Floyd Romesberg, som er seniorforfatter på det nye studie, som er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature.
Nye byggesten til proteiner
Masser af lægemidler, som bruges til patienter, er i dag baseret på naturens proteiner. I Danmark er vi for eksempel kendte for at producere proteinet insulin, som kan behandle sukkersyge.
\ Kunstige proteiner og DNA
I 2014 udviklede Floyd Romesberg og hans kolleger en bakterie, som havde to kunstige byggesten – unaturlige baser – i sit DNA.
Forskere bruger betegnelsen ’semikunstige’ om bakterierne fordi de består af en blanding af kunstigt og naturligt DNA.
Hidtil har det været usikkert, om bakteriernes kunstige DNA kunne oversættes til proteiner – ligesom almindeligt DNA kan.
I et nyt studie viser Romesberg, at det kunstige DNA kan danne proteiner med samme effektivitet som almindeligt DNA.
Proteinerne indeholder kunstige protein-byggesten (aminosyrer)
Proteiner er opbygget af særlige byggesten, som kaldes aminosyrer. I naturen findes der i alt 20 forskellige aminosyrer, som kan kombineres, når der skal bygges proteiner.
I det nye studie 'fodrer' forskerne imidlertid deres bakterier med en anden type aminosyrer end naturens egne aminosyrer. Og de viser, at de unaturlige aminosyrer bliver optaget som byggesten i de proteiner, bakterierne producerer.
»Vi har nu en semikunstig organisme, som kan producere proteiner med unaturlige aminosyrer. Indtil videre har vi kun demonstreret, at aminosyrerne kan inkorporeres én ad gangen, men mit laboratorium arbejder i øjeblikket på at bruge op til fire ad gangen,« forklarer Floyd Romesberg, som er professor ved afdelingen for kemi ved The Scripps Research Institute i USA, til Videnskab.dk
Protein-lægemidler er hot
Med andre ord får forskerne altså nogle helt nye byggesten og muligheder til at lave proteiner – og dermed lægemidler – som er meget anderledes end naturens egne proteiner.
»Proteinbaserede lægemidler er allerede en stor ting, men deres egenskaber og de sygdomme, som de kan kurere, er begrænsede af, hvad proteinerne er lavet af. Og der er en masse funktionalitet, som de naturlige aminosyrer ikke har, men som man kunne ønske sig,« siger Floyd Romesberg, som i 2014 oprettede et firma, Synthorx, som arbejder på at lave proteiner med nye egenskaber til lægemidler.
Romesberg og hans kolleger er langt fra de eneste, som arbejder på at bygge nye proteiner med ikke-naturlige aminosyrer. På Københavns Universitet har professor Kristian Strømgaard eksempelvis arbejdet med en af de samme kunstige aminosyrer, som Romesberg bruger i sit nye studie.
'Sindssygt spændende forskningsfelt'
\ Hvor mange aminosyrer?
En aminosyre er en organisk forbindelse, som har afgørende betydning for alle levende væsner.
I naturen findes der 20 aminosyrer, som er byggesten til proteiner. Disse 20 aminosyrer har deres egen unikke genetiske kode (unikke codons).
Nogle steder kan du imidlertid læse, at antallet af aminosyrer er 22. Her medregnes også aminosyrerne selenocystein og pyrrolysine.
Disse to aminosyrer har dog ikke deres eget unikke codon, men 'låner' fra andre aminosyrer.
Kilde: Kristian Strømgaard
»De nye, syntetiske proteiner er et kæmpestort og sindssygt spændende forskningsfelt. Hidtil har vi kun haft 20 byggeblokke, når vi skulle bygge proteiner, men i de senere år er det blevet udvidet, så der måske er kommet 50-100 nye aminosyrer. Det er en helt fundamental ændring af, hvordan man laver proteiner,« siger Kristian Strømgaard, som er professor i kemisk biologi ved Københavns Universitet.
»Det betyder, at man kan lave nogle nye proteiner med helt nye funktioner, og det har nogle virkelig spændende perspektiver for udviklingen af nye lægemidler. Vi er ikke længere begrænsede af 20 aminosyrer,« tilføjer han.
Ifølge Kristian Strømgaard er nogle medicinalfirmaer allerede nået så langt i udviklingen af protein-lægemidler med kunstige aminosyrer, at de er i færd med at afprøve medicinen i kliniske tests på mennesker. Han nævner eksempelvis et firma, som er i færd med at teste lægemidler med kunstige aminosyrer, som skal bekæmpe brystkræft, hjertestop og infektioner hos kvæg.
\ Læs mere
Bakterier fungerer som fabrikker
Når lægemiddelindustrien skal producere proteiner, er det helt normalt at lade eksempelvis bakterier stå for produktionen. Bakteriernes DNA fungerer som en slags manual, som fortæller, hvilke proteiner bakterierne skal bygge, så ved at give bakterierne nyt DNA kan man give instrukser om at danne nye typer af proteiner. Eksempelvis kan man bruge genredigerede E. Coli-bakterier til produktionen af insulin.
I det nye studie har forskerne også redigeret i arvemassen på E. Coli-bakterier. Det særlige ved studiet er imidlertid, at bakteriernes nye DNA ikke består af de sædvanlige DNA-byggesten.
Normalt er alle DNA-molekyler nemlig opbygget af i alt fire forskellige byggesten – kaldet baser eller nukleotider. Kombinationen af disse fire baser bestemmer, om du bliver en plante, en hest, et menneske, en bakterie eller en hvilken som helst anden livsform.
Men i det nye studie gør forskerne brug af to nye baser, som ikke findes i naturen.
»Hvor primitivt det end lyder, er alt liv på Jorden kun opbygget af fire baser. Men i studiet her har de indsat to nye baser, så bakterierne i alt har seks baser. De piller altså ved en helt central del af fundamentet for liv,« siger Kristian Strømgaard.
Vilde perspektiver
Kristian Strømgaard påpeger dog, at det ikke er første gang, det er lykkedes at introducere unaturlige baser i en bakteries DNA, men det er første gang, det er lykkedes at få det kunstige DNA oversat til proteiner.
\ Hvordan gør forskerne?
Forskerne skaber de kunstige DNA-byggesten (baserne) i laboratoriet og får bakterierne til at optage de kunstige baser i deres DNA.
Forskerne har tidligere vist, at bakterierne kan leve med det kunstige DNA og videregive det, når cellerne deller sig.
Nu har forskerne puttet kunstige aminosyrer (en type ad gangen) ned i vækstmediet, som bakterierne lever i.
Forskerne kan vise, at bakterierne bruger de kunstige aminosyrer som byggesten, når de producerer proteiner.
Det kunstige DNA koder for et grønt lysende (fluorescerende) protein – derfor kan forskerne genkende de kunstige proteiner.
Kilde: Kristian Strømgaard (som understreger, at beskrivelsen af processen er meget forsimplet)
»Studiet benytter to teknikker, som man groft set kendte i forvejen, men det nye er, at det er lykkedes dem at kombinere teknikkerne. De kan altså få bakterier med unaturligt DNA til at bygge proteiner med unaturlige aminosyrer. Det giver selvfølgelig nogle ret vilde perspektiver og muligheder,« forklarer Kristian Strømgaard.
På kortere sigt arbejder forskerne i første omgang på at lave nye lægemidler, og ifølge Floyd Romesberg gør de »gode fremskridt mod dette mål.«
»Et andet mål, som ligger længere ude i fremtiden, er at skabe organismer, som bruger informationen (fra det kunstige DNA, red.) til at have en ny funktion, såsom at ødelægge forurenende stoffer eller giftige molekyler. Eller at kunne genkende særlige typer af væv eller celler i kroppen og udskille et molekyle, som enten kan hjælpe dem eller dræbe dem,« siger Floyd Romesberg.
Vi bygger ny biologi
Romesbergs forskning har allerede vakt opsigt verden over. Den amerikanske biokemiker Andrew Ellington siger eksempelvis til avisen Washington Post, at »vi er i gang med at lære at bygge levende systemer.«
Professor ved Syddansk Universitet, Steen Rasmussen, mener også, at det nye studie for »en milepæl« i udviklingen af kunstigt liv. Derfor rummer studiet også en række etiske overvejelser over, hvor langt vi ønsker at strække vores muligheder for at redigere i livsformer og verden omkring os – læs mere om det i artiklen Milepæl for kunstigt liv: Livets alfabet er blevet udvidet.
Professor Kristian Strømgaard er enig i, at det nye studie rummer nogle »vanvittige og vilde perspektiver.«
»Men før man bliver alt for ophidset over at tale om kunstigt liv, skal man lige huske på, at der trods alt er tale om E. Coli bakterier. At kalde bakterier for liv er efter min mening at stramme den en smule,« siger Kristian Strømgaard.
