инфолог
Инфологи — это независимо разработанные синтетические гены, полученные из одного или нескольких генов, в которые систематически вводятся замены для максимизации информации. Инфологи созданы для идеального распределения разнообразия и максимизации эффективности поиска.
Типичные методы белковой инженерии основаны на скрининге большого количества (10 6 -10 12 или более) вариантов генов для выявления лиц с повышенной активностью с использованием суррогатного скрининга с высокой пропускной способностью (HTP) для выявления первоначальных совпадений. К сожалению, результаты определяются тем, что подвергается скринингу, поэтому «попадание» в HTP-скрининг часто имеет очень небольшую реальную активность в анализе с более низкой пропускной способностью, что более показательно для улучшенной функциональности, для которой разрабатывается белок. Адаптировав стандартные алгоритмы проектирования сложных систем для работы с биологическими системами, полученный процесс позволяет исследователям деконволюцию того, как замены внутри белковой последовательности изменяют ее функцию. Сочетание этих алгоритмов со встроенным механизмом запросов и ранжирования позволяет идентифицировать соответствующие замены последовательностей. [1] Инфологи относятся к набору спроектированных генов, а единичное использование Инфолог описывает отдельный вариант.
Родословная
[ редактировать ]Гомология между последовательностями белков или ДНК определяется с точки зрения общего происхождения. Два сегмента ДНК могут иметь общее происхождение либо в результате события видообразования (ортологи), либо в результате события дупликации (паралоги).
Гомологи — это схожие гены и/или белки, связанные происхождением.
Ортологи — это «один и тот же» ген, но от разных организмов. Гомологичные последовательности являются ортологичными, если они были разделены событием видообразования: когда вид расходится на два отдельных вида, копии одного гена в двух образующихся видах считаются ортологичными. Ортологи, или ортологичные гены, — это гены разных видов, произошедшие в результате вертикального происхождения от одного гена последнего общего предка. Термин «ортолог» был придуман в 1970 году Уолтером Фитчем. [2]
Паралоги — это родственные гены, происходящие от одного гена, который в результате дупликации превратился в два гена, которые со временем развились для выполнения двух отдельных функций (или, согласно недавней научной статье, [3] беспорядочный стартовый ген, который дублировался, и каждая копия развивалась в направлении различных функций). Паралоги обычно имеют ту же или подобную функцию, но иногда и нет: из-за отсутствия исходного селективного давления на одну копию дублированного гена эта копия может мутировать и приобретать новые функции. Паралоги обычно встречаются внутри одного и того же вида.
Ксенологи — это гомологи, возникающие в результате горизонтального переноса генов между двумя организмами. Ксенологи могут иметь разные функции, если новая среда для горизонтально движущегося гена сильно отличается. Однако в целом ксенологи обычно выполняют схожие функции в обоих организмах.
Инфологи — это схожие гены и/или белки, связанные синтетическим происхождением, обеспечивающие идеальное распределение разнообразия.
Функции
[ редактировать ]- Оптимизируйте непосредственно для функций в конечном приложении.
- Не требует экранов высокой пропускной способности (HTP)
- Просматривайте небольшое количество вариантов (50–200) непосредственно для желаемой функции.
- Снижение количества ложноположительных результатов: варианты, выявленные с помощью скрининга HTP, не сохраняют активность в «настоящем» анализе.
- Снижение потери потенциальных положительных результатов из-за ошибки скрининга или плохой корреляции между скринингом HTP и «настоящим» анализом.
- Никаких коллекций биоразнообразия не требуется, все синтезируется по мере необходимости
- Отношения последовательность-функция обеспечивают основу для убедительных патентных заявок на состав вещества.
Тематическое исследование
[ редактировать ]Преобразование белковой инженерии с помощью Infologs:
Использование независимо разработанных синтетических генов, в которые систематически включаются замены (инфологи), приводит к единообразной выборке, систематической дисперсии и неограниченным информационным результатам. С использованием этого запатентованного биоинженерного метода была разработана пшеничная глутатион S-трансфераза (GST), способная детоксицировать ряд распространенных гербицидов. Относительный функциональный вклад 60 аминокислотных замен против 14 гербицидов был количественно определен с использованием только 96 Infologs и значительно улучшен с помощью небольшого набора (16) Infologs 2-го поколения. Кроме того, были созданы высоко предсказуемые модели последовательности-функции GST против двух коммерчески значимых гербицидов с количественной оценкой относительного функционального вклада 60 аминокислотных замен в двух измерениях. [4]
Рациональный дизайн белков
[ редактировать ]При рациональном проектировании белка ученый использует подробные знания о структуре и функции белка, чтобы внести желаемые изменения. Как правило, это имеет то преимущество, что является технически простым и недорогим, поскольку методы сайт-направленного мутагенеза хорошо разработаны. Однако его основным недостатком является то, что подробные знания о структуре белка часто недоступны, и даже когда они доступны, может быть чрезвычайно трудно предсказать эффекты различных мутаций.
вычислительного проектирования белков Алгоритмы направлены на идентификацию новых аминокислотных последовательностей, которые имеют низкую энергию при сворачивании в заранее заданную целевую структуру. Несмотря на то, что пространство конформаций последовательностей, которое необходимо искать, велико, наиболее сложным требованием для вычислительного дизайна белка является быстрая, но точная энергетическая функция, которая может отличать оптимальные последовательности от аналогичных субоптимальных.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Эта технология защищена патентом США № 8 005 620.
- ^ Фитч, Уолтер М. (1970). «Отличение гомологичных белков от аналогичных». Систематическая биология . 19 (2): 99–113. дои : 10.2307/2412448 . JSTOR 2412448 . ПМИД 5449325 .
- ^ Насвалль Дж.; Сан, Л.; Рот, младший; Андерссон, Д.И. (2012). «Эволюция новых генов в реальном времени путем инноваций, амплификации и дивергенции» . Наука . 338 (6105): 384–7. Бибкод : 2012Sci...338..384N . дои : 10.1126/science.1226521 . ПМЦ 4392837 . ПМИД 23087246 .
- ^ Презентация конференции по ферментной инженерии: «Использование инфологов для разработки биологических систем»
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Биокатализ GRC, 2014: Плакат «Систематическое исследование пространства последовательностей для белковой инженерии»
- Чен, Фэй; Гоше, Эрик А.; Лил, Николь А.; Хаттер, Дэниел; Хавеманн, Стефани А.; Говиндараджан, Шридхар; Ортлунд, Эрик А.; Беннер, Стивен А. (2010). «Реконструированные эволюционно-адаптивные пути дают полимеразы, принимающие обратимые терминаторы для секвенирования и обнаружения SNP» . Труды Национальной академии наук . 107 (5): 1948–53. Бибкод : 2010PNAS..107.1948C . дои : 10.1073/pnas.0908463107 . ПМК 2804741 . ПМИД 20080675 .
- Хайнцельман, Пит; Сноу, Кристофер Д.; Смит, Мэтью А.; Ю, Синьлинь; Каннан, Арвинд; Булвар, Кевин; Вильялобос, Алан; Говиндараджан, Шридхар; и др. (2009). «СХЕМА-рекомбинация грибковой целлюлазы обнаруживает единственную мутацию, которая заметно способствует стабильности» . Журнал биологической химии . 284 (39): 26229–33. дои : 10.1074/jbc.C109.034058 . ПМЦ 2785310 . ПМИД 19625252 .
- Хайнцельман, Пит; Сноу, Кристофер Д.; Ву, Индира; Нгуен, Кэтрин; Вильялобос, Алан; Говиндараджан, Шридхар; Миншалл, Джереми; Арнольд, Фрэнсис Х. (2009). «Семейство термостабильных грибковых целлюлаз, созданных путем структурно-ориентированной рекомбинации» (PDF) . Труды Национальной академии наук . 106 (14): 5610–5. Бибкод : 2009PNAS..106.5610H . дои : 10.1073/pnas.0901417106 . JSTOR 40454838 . ПМК 2667002 . ПМИД 19307582 .
- Эрен, Дж.; Говиндараджан, С.; Морон, Б.; Миншалл, Дж.; Хосла, К. (2008). «Белковая инженерия улучшенных пролилэндопептидаз для лечения целиакии» . Инженерный дизайн и отбор белков . 21 (12): 699–707. дои : 10.1093/протеин/gzn050 . ПМК 2583057 . ПМИД 18836204 .
- Ляо, Цзюнь; Вармут, Манфред К; Говиндараджан, Шридхар; Несс, Джон Э; Ван, Ребекка П; Густавссон, Клаас; Миншалл, Джереми (2007). «Инженерия протеиназы К с использованием машинного обучения и синтетических генов» . БМК Биотехнология . 7:16 . дои : 10.1186/1472-6750-7-16 . ПМЦ 1847811 . ПМИД 17386103 .
- Миншалл, Джереми; Несс, Джон Э; Густавссон, Клаас; Говиндараджан, Шридхар (2005). «Прогнозирование функции фермента по последовательности белка». Современное мнение в области химической биологии . 9 (2): 202–9. дои : 10.1016/j.cbpa.2005.02.003 . ПМИД 15811806 .
- Густавссон, Клаас; Говиндараджан, Шридхар; Миншалл, Джереми (2003). «Возврат инженерии в белковую инженерию: биоинформатические подходы к разработке катализаторов». Современное мнение в области биотехнологии . 14 (4): 366–70. дои : 10.1016/S0958-1669(03)00101-0 . ПМИД 12943844 .