Построение неравновесных метаболических сетей в нано- и микрометровых везикулах
12 апреля 2024 г.
Представлен протокол восстановления мембранных белков и инкапсуляции ферментов и других водорастворимых компонентов в липидных везикулах субмикронного и микрометрового размера.
В Нидерландах консорциум BaSyC стремится создать синтетические клетки из молекулярных компонентов. Консорциум BaSyC состоит из исследовательских групп от молекулярной биологии до химии, физики и вычислительных наук. Целью этого консорциума является создание самовоспроизводящейся системы, способной к автономному росту для передачи информации и разделения.
И в настоящее время мы сосредоточены на построении молекулярных сетей, интегрированных в более сложные молекулярные системы. Последние разработки в области синтетической биологии включают в себя разработку модулей для клеточных функций, интеграцию их в сложные сети для приложений в диагностике, терапии, синтетической иммунологии и адаптивных материалах. Этот прогресс охватывает группы в Европе, Америке и Азии, продвигая как нисходящий, так и восходящий подходы к созданию синтетических клеток.
Современные технологии в нашей области включают в себя инженерные и эволюционные методы построения и оптимизации метаболических сетей. Мы используем искусственный интеллект для молекулярной селекции и передовые биохимические и биофизические методы для выделения компонентов и формирования сетей. Мы также используем восстановление мембраны, физическую инкапсуляцию и визуализацию с помощью флуоресцентной спектроскопии и микроскопии.
С интеграцией модулей количество мембранных белков и ферментов значительно увеличивается, что накладывает ограничения на наши технологии восстановления и инкапсуляции. Стохастическая инкапсуляция становится проблемой при случае везикул субмикронного размера, а эффективность формирования везикул микрометрового размера снижается при восстановлении нескольких мембранных белков в липидной мембране. В Гронингене мы разработали метаболические сети для производства АТФ и поддержания неравновесного состояния за счет подачи субстрата и экспорта продукта.
Кроме того, мы связали рециркуляцию АТФ с синтезом и выведением липидных предшественников, что позволяет вторичным везикулам производить липиды, что является значительным шагом вперед в нашей области.
Обзор
В данной статье представлен протокол создания синтетических клеток из молекулярных компонентов с акцентом на реконституцию мембранных белков и инкапсуляцию ферментов в липидных везикулах. Целью исследования является разработка самореплицирующихся систем, способных к автономному росту и передаче информации.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Синтетическая биология
- Молекулярная биология
- Биохимия
Теоретические основы
- Основной консорциум в Нидерландах состоит из различных исследовательских групп.
- Исследования охватывают молекулярную биологию, химию, физику и вычислительные науки.
- Основное внимание уделяется созданию молекулярных сетей для сложных систем.
- Последние достижения включают разработку модулей для клеточных функций.
Цель исследования
- Создание синтетических клеток, способных к автономной репликации и росту.
- Интеграция молекулярных компонентов в сложные сети.
- Изучение возможностей применения в диагностике, терапии и создании адаптивных материалов.
Используемые методы
- Реконституция мембранных белков.
- Инкапсуляция ферментов в липидные везикулы.
- Подходы «сверху вниз» (top-down) и «снизу вверх» (bottom-up) к конструированию синтетических клеток.
- Сотрудничество между международными исследовательскими группами.
Основные результаты
- Успешное инкапсулирование водорастворимых компонентов в липидные везикулы.
- Разработка протокола создания синтетических клеток.
- Интеграция сконструированных модулей в функциональные сети.
- Прогресс в создании автономных систем роста.
Выводы
- Данное исследование вносит вклад в область синтетической биологии.
- В нем подчеркивается потенциал создания самореплицирующихся систем.
- Будущие области применения могут произвести революцию в диагностике и терапии.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Реконституция сложных метаболических сетей в везикулах нано- и микрометрового размера позволяет точно моделировать неравновесные биологические процессы, что способствует валидации мишеней на ранних этапах и снижению механистических рисков в синтетической биологии. Данный подход представляет собой масштабируемую платформу для интеграции мембранных белков, ферментов и сенсоров, обеспечивая прогностическую достоверность при инжиниринге путей и функциональной реконституции. Этот метод стратегически направлен на ускорение открытий и трансляционных исследований за счет обеспечения количественного анализа метаболической активности в контролируемых микросредах в режиме реального времени.
Стратегические применения в биофармацевтических исследованиях&D
Первичный поиск и валидация мишени
- Позволяет исследовать функционирование метаболических путей и взаимодействие с мишенями в контролируемой везикулярной системе.
- Обеспечивает снижение биологических рисков за счет реконструкции и мониторинга сложных белковых сетей вне живых клеток.
- Повышает прогностическую достоверность при проектировании синтетических путей благодаря считыванию данных с помощью флуоресценции в режиме реального времени.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает валидированные системы на основе везикул для количественного измерения соотношения ATP/ADP, концентраций метаболитов и pH.
- Обеспечивает стандартизацию и воспроизводимость анализа за счет использования очищенных компонентов и определенных протоколов инкапсуляции.
- Поддерживает масштабируемый скрининг эффективности метаболических сетей и воздействия соединений в микрофлюидных устройствах.
Трансляционные и доклинические исследования
- Позволяет сопоставлять синтетические метаболические сети с биохимическими путями, имеющими отношение к заболеванию, для трансляционного моделирования.
- Обеспечивает непрерывность процесса от этапа открытия до доклинической валидации за счет увеличения объемов пузырьковых биореакторов и интеграции методов оптического анализа.
- Обеспечивает механистическое снижение рисков при инженерии метаболических путей перед проведением исследований in vivo.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Этот метод на основе везикул связывает этапы первичного поиска, разработки анализов и трансляционных исследований, обеспечивая модульное построение и анализ метаболических сетей в режиме реального времени.
- Открывающая биология: упрощает проверку гипотез и уточнение путей за счет реконструкции и мониторинга синтетических метаболических цепей.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные показатели продукции ATP и потока метаболитов в везикулярных системах.
- Аналитика: предоставляет измерения на основе флуоресценции для сравнительного анализа эффективности сетей и оптимизации условий.
- Трансляционные исследования: поддерживают доклиническое моделирование метаболических процессов в масштабируемых форматах везикул, совместимых с микрофлюидикой.
- Корпоративное повторное использование: создает многоразовую платформу для итеративного проектирования сетей и функциональной валидации в рамках программ R&D.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неопределенность при конструировании синтетических путей.
- Операционная ценность: Стандартизирует рабочие процессы инкапсуляции и реконституции для обеспечения воспроизводимости и масштабируемости.
- Стратегическая ценность: Позволяет принимать обоснованные решения о целесообразности дальнейшего продолжения работ и эффективно использовать капитал при развитии активов синтетической биологии.
- Влияние на портфель: Обеспечивает приоритизацию сконструированных метаболических сетей для дальнейшей разработки с учетом рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области реконституции мембранных белков, инкапсуляции ферментов и флуоресцентного анализа.
- Необходим доступ к ультрацентрифугированию, микрофлюидному захвату и современной инфраструктуре микроскопии.
- Требуется межкомандная стандартизация подготовки везикул и аналитических протоколов.
- Может потребоваться адаптация для различных белковых сетей или размеров везикул.
- Проблемы, связанные со стохастической инкапсуляцией и эффективностью, возрастают по мере увеличения сложности сети и масштаба везикул.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
Chapters in this video
0:00
Introduction
2:13
Reconstitution of Purified Membrane Proteins into Preformed Liposomes
5:08
Encapsulation of a Metabolic Network for ATP Recycling and Glycerol 3‐P Synthesis in Submicron‐Size Vesicles
7:04
Upscaling a Metabolic Network for Micrometer‐Sized Vesicles
