Autarke Zellen?

OBEN: Julie Trolle und Jef Boeke nutzen Methoden der synthetischen Biologie, um Säugetierzellen in die Lage zu versetzen, essentielle Aminosäuren herzustellen. Mit freundlicher Genehmigung von Julie Trolle

Immer wenn Studenten an den Genetiker Jef Boeke herantreten und behaupten, sie hätten eine coole neue Entdeckung gemacht, ist seine erste Reaktion immer: „Zeigen Sie mir die Platten.“ Boeke ist Gründungsdirektor des Instituts für Systemgenetik an der NYU Langone Health und die meisten Arbeiten in seinem Labor konzentrieren sich auf Mikroorganismen. Ein direkter Blick auf die Zellen seiner Schüler unter dem Mikroskop hilft ihm, Details zu erkennen, die zu interessanten Entdeckungen führen könnten. Als ihm Julie Trolle, Doktorandin an der Grossman School of Medicine der NYU, ihm 2017 Bilder ihrer gentechnisch veränderten Eierstockzellen des Chinesischen Hamsters (CHO) schickte, er wusste, dass er sie selbst sehen musste. Was er sah, war die Wiederbelebung eines Synthesewegs für Aminosäuren, der bei Tieren vor mehr als 500 Millionen Jahren verloren gegangen war.

Insgesamt 20 Aminosäuren bilden die Tausenden unterschiedlichen Proteine ​​in allen Lebensformen. Aber Tiere können nur 11 davon herstellen; Sie müssen die anderen essentiellen Aminosäuren aus ihrer Umgebung aufnehmen. Dies erreichen sie durch den Verzehr von Pflanzen, die typischerweise alle 20 Aminosäuren produzieren, oder durch den Verzehr von Tieren, die Pflanzen verzehrt haben. Angesichts der Tatsache, dass die meisten Pflanzen und Mikroorganismen den Weg für alle 20 tragen, werfen die fehlenden neun Fragen über die Evolution der Tiere auf: Wann und warum gingen diese Wege verloren? Und könnten Tiere die Aminosäuren irgendwie wieder herstellen? Trolle war besonders daran interessiert, mithilfe synthetischer Biologie und Technik diese zweite Frage zu beantworten und auf diese Weise möglicherweise den Grundstein für Lösungen für verschiedene medizinische und industrielle Probleme zu legen.

Die Herstellung der manipulierten Zellen sei nicht einfach gewesen, sagte sie. Der tierische Vorfahre mit diesen Synthesewegen lebte vor mindestens 500 Millionen Jahren. Die Wechselwirkungen zwischen den Enzymen, die zur Herstellung der Aminosäuren erforderlich sind, waren bei diesen Vorfahren sicherlich nicht die gleichen wie bei den CHO-Zellen in Trolles Kulturplatten.

Aufgrund seiner chemischen Ähnlichkeit mit Isoleucin, einer weiteren essentiellen Aminosäure, entschied sie sich, ihre Bemühungen auf Valin zu konzentrieren. Eine Zelle, die Valin produzieren könnte, könnte auch Isoleucin produzieren, sagte sie, was dies möglicherweise effizienter macht als die Entwicklung eines einzelnen Aminosäureproduktionswegs.

Sie begann damit, bakterielle Gene, die Enzyme kodieren, die normalerweise nicht in tierischen Zellen produziert werden, in CHO-Zellen nach Industriestandard einzuführen. Sie hoffte, dass die Zellen dann in der Lage wären, biochemische Verbindungen in ihrer Umgebung in Valin und Isoleucin umzuwandeln. Trolle legte ihre veränderten Zellen und eine Gruppe von Kontrollzellen in Medien, denen eine oder beide Aminosäuren fehlten, um zu sehen, ob sie überleben würden.

Zu ihrer Enttäuschung überlebten die Zellen ohne Isoleucin in ihrem Kulturmedium nicht gut, egal welche Änderungen sie am Signalweg vornahm, was darauf hindeutet, dass sie keine der Aminosäuren produzierten. Allerdings überlebten Trolle-Zellen in valinfreiem Medium weiterhin gut.

Die Unterschiede im Ergebnis zwischen den regulären und den gentechnisch veränderten Zellen seien „mehr als überzeugend“, sagte Boeke. Die gentechnisch veränderten Zellen überlebten besser als die Kontrollzellen, was bedeutet, dass sie die essentielle Aminosäure selbst produzierten.

Trolle maß den Valinspiegel im Kulturmedium, um zu bestätigen, dass die Zellen Valin synthetisierten, wenn sie mit Glukose und Pyruvat gefüttert wurden. „Es war ein unglaublicher Erfolg“, sagte Boeke. „Wir waren so aufgeregt.“ Als das Team die Ergebnisse jedoch im Jahr 2021 zur Veröffentlichung einreichte, waren die Gutachter skeptisch. Die Valinproduktion in den Trolle-Zellen begann nach dem 20. Tag nachzulassen, und nach dem 40. Tag noch stärker. Die Gutachter stellten fest, dass die CHO-Zellen in der Lage sein sollten, Valin mit einer konstanten Geschwindigkeit zu produzieren.

Mit Hilfe von Boeke und anderen Forschern versuchte Trolle erfolglos verschiedene Optimierungen. Doch schließlich gelang ihr der Durchbruch. Sie entdeckte, dass das Problem mit dem Signalweg in der Ansammlung einer von den Zellen gebildeten Zwischenverbindung lag. Um dies zu korrigieren, versuchte Trolle, eine zusätzliche Kopie des Gens hinzuzufügen, das für das Enzym kodierte, das dieses Zwischenprodukt in das nächste Produkt umwandelte.

Die Änderung hat funktioniert; Plötzlich produzierten die Zellen Valin mit einer höheren Rate als die frühere Zellcharge. Und die Valinproduktion nahm während des 40-tägigen Experiments kontinuierlich zu.1 „Es ist die erste tierische Zelle, die jemals existiert hat, die Valin produziert“, sagte Trolle, der jetzt Postdoktorand in Boekes Labor ist.

„Es ist ein bahnbrechendes und ermutigendes Ergebnis“, sagte Andrew Hessel, ein Zellbiologe und Genetiker, der das Krebstherapieunternehmen Humane Genomics mitbegründete und Genome Project-write mitbegründete und leitet, eine internationale Forschungsinitiative mit Schwerpunkt auf Genombearbeitung und -synthese. Hessel war an der Forschung nicht beteiligt, obwohl er zuvor mit Boeke und einem anderen Autor der Studie zusammengearbeitet hat. „Das ist ein wirklich cooler erster Schritt zur Herstellung einer vollständig autotrophen Zelle“, sagte Hessel.

Nachdem Trolle nun gezeigt hat, dass eine essentielle Aminosäure produzierende tierische Zelle möglich ist, sagte Hessel, dass es nur eine Frage der Zeit sei, bis andere mit anderen Aminosäuren in ihre Fußstapfen treten. „Wir werden in den nächsten Jahren eine Zelle sehen, die alle ihre Aminosäuren selbst herstellen kann“, sagte er.

Trolle hofft, dass die Arbeit Anwendungsmöglichkeiten für Zellkulturmethoden finden wird. Das Medium, mit dem sie beispielsweise die CHO-Zellen ernährt, ist teuer und basiert häufig auf tierischen Produkten. Die Arbeit mit autotrophen Zellen wäre einfacher und kosteneffizienter und würde Prozesse wie den Fleischanbau im Labor praktikabler machen. „Jede Art von Anwendung, die die Kultivierung von Säugetierzellen in großem Maßstab umfasst, wird wahrscheinlich ein gewisses Maß an Genom-Engineering erfordern, um sie skalierbar zu machen“, sagte sie. „Dies ist ein erster Schritt, um so etwas möglich zu machen.“

Laut dem synthetischen Biologen Drew Endy von der Stanford University, der nicht an der Studie beteiligt war, könnten diese Wege so manipuliert werden, dass andere Aminosäuren entstehen, die noch nie zuvor biosynthetisiert wurden. Eine solche Technologie könnte zur Produktion neuer Proteine ​​und Medikamente führen, sagte Endy, der in Unternehmen der synthetischen Biologie investiert und das DNA-Konstruktionsunternehmen Gen9 mitbegründet und noch immer berät.

Über die CHO-Zellen hinaus ist Boeke daran interessiert, die neu entwickelten Signalwege in embryonale Stammzellen zu integrieren und möglicherweise eine Maus zu konstruieren, die ihr eigenes Valin produzieren kann, dessen Fütterung im Labor möglicherweise billiger ist. Boeke sagte jedoch, dass Projekte wie vollständig autotrophe Tierzellen vorerst immer noch Science-Fiction seien, und fügte hinzu, dass es „einige unvorhergesehene Folgen haben könnte, wenn Zellen diese [Aminosäuren] tatsächlich produzieren“.

Hessel ist dennoch beeindruckt von der Arbeit und insbesondere von der Nutzung bakterieller Gene zur Verbesserung von Säugetierzellen. „Unsere Säugetierzellen können viel von Bakterien lernen“, sagte er. „Es ist bemerkenswert, dass Bakterien uns lehren, unabhängiger zu sein.“

Referenz