Všetky živé bytosti na Zemi používajú kópiu rovnakého genetického kódu. Každá bunka vytvára proteíny s použitím rovnakých 20 aminokyselín. Ribozómy, stroj na výrobu proteínov v bunkách, prečítajú genetický kód z molekuly messenger RNA, aby sa rozhodli, ktorú aminokyselinu potom vložia do konkrétneho proteínu, ktorý budujú.

Tento kód je univerzálny, a preto ribozómy v našich bunkách dokážu prečítať kúsok vírusovej mediátorovej RNA a vytvoriť z neho funkčný vírusový proteín. Existuje však veľa ďalších aminokyselín. Aj keď to život vo všeobecnosti nevyužíva, vedci ho začlenili do bielkovín. Vedci teraz prišli na spôsob, ako výrazne rozšíriť genetický kód, ktorý umožní vo veľkom začleniť tieto nebiologické aminokyseliny. Dosiahli to zapnutím druhého súboru všetkého – bielkovín a RNA – potrebných na preklad genetického kódu.

oddelený systém

Nekanonické aminokyseliny môžu vykonávať množstvo funkcií. Môžu slúžiť ako značky, takže v bunkách je možné ľahko vysledovať špecifický proteín výskumníka. Môžu pomôcť regulovať funkciu bielkovín, čo umožní výskumníkom aktivovať a deaktivovať ich v konkrétnom čase a na mieste, ktoré si zvolia, a potom monitorovať prípadné efekty. Ak je spojených dostatok týchto nekanonických aminokyselín, výsledné proteíny vytvoria úplne novú triedu biopolymérov, ktoré môžu vykonávať funkcie, ktoré konvenčné proteíny nedokážu – na výskumné, terapeutické alebo iné účely.

Umiestňovanie nekanonických aminokyselín do bielkovín si vyžaduje manipuláciu s genetickým kódom, pre ktorý neexistuje spôsob, ako určiť ich použitie. Jedna možnosť je Úprava genetického kódu bunky, pričom väčšina z nich zostáva nedotknutá. Variant používa upravené kópie všetkých zložiek genetického kódu: ortologické mRNA, ortologické ribozómy, ortologické enzýmy zodpovedné za čítanie mRNA a stavbu proteínov v ribozómoch. Ortogonálne tu znamená, že tento mechanizmus bude fungovať v spojení s normálnym mechanizmom tvorby ribozomálnych bielkovín v bunke, ale nebude s ním interferovať. Bude čítať a prekladať iba svoje vlastné ortologické mRNA, nie normálne bunkové línie.

Tieto ortogonálne komponenty budú nepárne, takže nie sú potrebné pre fungovanie bunky. Môžu byť teda navrhnuté, inak organizované a upravované akýmkoľvek spôsobom, o akom sa vedcom môže snívať. Môžu sa použiť na výrobu nových polymérov a objasniť mechanizmy zahrnuté v normálnej produkcii bunkových bielkovín. To je niečo, čo nemôžeme urobiť s normálnymi bunkovými komponentmi, pretože by to bunku zabilo.

zlepšiť ortogonalitu

Jason Chen, vedúci Centra chemickej a syntetickej biológie (CCSB) v Cambridge vo Veľkej Británii, a vyrobil všetky tieto ortogonálne komponenty. Nie je to však príliš účinné. V dokumente uverejnenom tento týždeň v chémia prírody, popisuje, ako som to opravil: pomocou výpočtových algoritmov na návrh a optimalizáciu najlepších ortologických mRNA ortologickými ribozómami. Výťažok proteínu sa nielenže drasticky zlepšil, ale zmeny zaistili, že ortologické ribozómy fungovali efektívne, aj keď boli prítomné normálne ribozómy.

„Naše chápanie faktorov, ktoré určujú výťažok proteínu pre normálnu transláciu, je neúplné … Iba polovicu variácií pozorovaného výťažku proteínu je možné vysvetliť známymi parametrami,“ narieka nad úvodom práce. Jeho laboratórium sa však dozvedelo, že iniciačný krok, keď ribozóm zachytí messengerovú RNA, je zásadným krokom. Vedeli tiež, že štruktúra mRNA je dôležitá. Začali teda mutovať ortogonálnu mRNA, aby zmenili tieto dve strany, a vybrali sa pre tie mutácie, ktoré dobre viažu ortogonálne ribozómy, ale normálne ribozómy nižšej kvality. Po stovkách kôl mutácií optimalizovali tri rôzne ortologické mRNA kódujúce tri rôzne proteíny. Jedna z nich obsahovala štyri nekanonické aminokyseliny.

Potom laboratórium použilo rovnakú metódu na zlepšenie ortologických enzýmov a prinieslo 33-násobné zvýšenie výťažku bielkovín; Ortogonálny systém teraz tvorí rovnaké množstvo bielkovín ako normálny bunkový systém. Bunky použité v tejto práci boli coli baktérieDoktor Chen však použil ortogonálny systém na výrobu nekanonických bielkovín v kvasinkách, cicavčích bunkách, červoch a ovocných muškách.

„Očakávame, že príležitosti vyplývajúce z metód začlenenia mnohých odlišných nekanonických aminokyselín sa budú zvyšovať s počtom nekanonických aminokyselín, ktoré je možné začleniť,“ píšu s kolegami. Tieto algoritmy, ktoré vyvinuli na navrhnutie efektívne preložených ortologických mRNA, by im určite mali pomôcť posunúť sa k tomuto cieľu.

chémia prírody 2021. DOI: 10,1038/s41557-021-00764-5