I ricercatori del Politecnico di Zurigo sono riusciti a introdurre nei batteri grandi quantità di aminoacidi non naturali. Ciò consente di produrre in modo altamente efficiente nuove proteine di design. Queste possono essere utilizzate come catalizzatori più efficienti o come farmaci più efficaci.
La vita riconosce 20 blocchi di aminoacidi con i quali assembla le proteine. Sebbene la limitazione a 20 elementi costitutivi consenta una grande varietà di strutture e funzioni proteiche, pone anche chiari limiti chimici. In laboratorio, tuttavia, i chimici possono teoricamente sintetizzare migliaia di aminoacidi artificiali, molti dei quali con proprietà completamente nuove.
Utilizzando metodi biotecnologici, questi mattoni artificiali possono essere incorporati in modo specifico nelle proteine delle cellule viventi. "Le proteine con aminoacidi innaturali inseriti in modo specifico aprono molte nuove possibilità per applicazioni mediche e industriali, oltre che per la ricerca scientifica", spiega Kathrin Lang, professore di biologia chimica al Politecnico di Zurigo.
Nuovi principi attivi e potenti enzimi
Gli amminoacidi artificiali aprono nuove possibilità in tutti i settori di applicazione delle proteine. Le proteine terapeutiche possono avere un effetto più mirato ed efficace grazie a gruppi chimici aggiuntivi. I componenti fluorescenti o quelli con atomi come il cloro o il fluoro, che normalmente non sono presenti nelle proteine, possono migliorare le procedure di imaging in medicina e nella ricerca. Sono possibili anche enzimi con nuove capacità catalizzatrici, oppure si possono utilizzare specifici amminoacidi reticolanti per costruire proteine che funzionano in modo efficiente anche in condizioni esterne estreme, come il calore o la pressione. Inoltre, è possibile utilizzare speciali gruppi di accoppiamento per legare sostanze attive a proteine carrier che trasportano in modo affidabile i farmaci ai tessuti malati.
Catturare un sistema di trasporto batterico
Finora, tuttavia, l’incorporazione mirata di aminoacidi sintetici nelle proteine è stata significativamente meno efficiente rispetto alla produzione di proteine composte solo dai 20 aminoacidi naturali. Le applicazioni sono state quindi per lo più limitate ad approcci di ricerca su piccola scala. Un ostacolo importante: gli aminoacidi innaturali spesso raggiungono i batteri utilizzati per la produzione biotecnologica solo in quantità molto ridotte.
Il gruppo di Lang ha ora sviluppato una soluzione che consente di introdurre in modo efficiente gli aminoacidi artificiali nei batteri. In questo modo, l’ampliamento della gamma di aminoacidi può essere utilizzato su larga scala in medicina e nell’industria biotecnologica. I ricercatori hanno dirottato un sistema di trasporto naturale del batterio E. coli. Questo sistema assicura normalmente il trasporto di brevi frammenti di proteine, i cosiddetti peptidi, dall’ambiente alla cellula.
Questo sistema di trasporto è costituito da due unità: un canale nella membrana cellulare e un componente navetta. Questa unità navetta riconosce i peptidi di tre o quattro amminoacidi e li porta al canale, che poi li trasporta all’interno delle cellule. Lì, i peptidi vengono scomposti nei loro singoli blocchi di amminoacidi, che sono poi a disposizione del macchinario cellulare per la sintesi di nuove proteine. Poiché il sistema deve lavorare per tutte le combinazioni di aminoacidi naturali, non è molto selettivo. Vengono introdotti anche peptidi contenenti amminoacidi artificiali, anche se molti di essi solo in piccole quantità o per nulla.
Con un approccio evolutivo al legame specifico
Per consentire al sistema di trasporto di importare grandi quantità di amminoacidi innaturali, i biochimici dell’ETH hanno utilizzato due trucchi: In primo luogo, hanno impacchettato gli aminoacidi innaturali in brevi peptidi sintetici in cui sono circondati da blocchi naturali. Il trasportatore lascia passare facilmente questo carico mimetizzato: è un cavallo di Troia molecolare.
D’altra parte, i ricercatori hanno anche modificato in modo specifico il componente della navetta. A tal fine, hanno determinato la struttura molecolare del sito di legame per i peptidi della navetta. Hanno poi modificato sistematicamente e gradualmente quest’area nel corso di esperimenti fino a quando il sito di legame è stato adattato a un peptide specifico con amminoacidi artificiali.
Per questo adattamento, i ricercatori hanno utilizzato metodi che imitano l’evoluzione biologica a un ritmo veloce. Con questo approccio, il sistema di trasporto può ora essere personalizzato per un’ampia varietà di peptidi con amminoacidi non naturali. Tra l’altro, il team è riuscito a introdurre aminoacidi molto voluminosi o con carica negativa che in precedenza non potevano essere importati nelle cellule.
"Gli aminoacidi innaturali sono ora disponibili in grandi quantità nelle cellule di E. coli più frequentemente utilizzate nelle biotecnologie e possono essere incorporati in modo efficiente nelle proteine utilizzando metodi di espansione del codice genetico", spiega Tarun Iype, dottorando del gruppo di Lang e uno dei primi autori dello studio.
"Ciò significa che le proteine di design contenenti aminoacidi non naturali possono essere prodotte in molti casi con la stessa efficienza delle loro controparti naturali", aggiunge Maximilian Fottner, scienziato del gruppo di Lang e anch’egli primo autore dello studio. Il Politecnico di Zurigo ha presentato una domanda di brevetto per il nuovo metodo.
Espansione del sistema per includere altre molecole non naturali
Il metodo funziona attualmente nei batteri E. coli. "Stiamo lavorando per costruire un sistema analogo nelle cellule umane", spiega Lang. "Questo potrebbe essere usato per produrre proteine che contengono tutte le caratteristiche umane, il che le renderebbe più adatte a un’ampia gamma di applicazioni terapeutiche"
Tuttavia, i piani dei biochimici dell’ETH si estendono anche al di là degli amminoacidi, come riferisce Lang: "Vogliamo sviluppare ulteriormente il sistema in modo da poter introdurre nelle cellule anche altre molecole che non sono ancora permeabili alle cellule" Queste potrebbero essere utilizzate, ad esempio, come materiali di partenza per la produzione biotecnologica efficiente di composti chimici complessi che in precedenza potevano essere sintetizzati solo con grande sforzo.
Riferimenti bibliografici
Iype T, Fottner M, Böhm P, Piedrafita C, Möller Y, Groll M, Lang K: Hijacking a bacterial ABC transporter for genetic code expansion. Nature 2025, 647: 1045, doi: 10.1038/s41586-025-09576-w
