Эффективный метод создания белков с необычными аминокислотами открывает путь к новым лекарствам и катализаторам.
Студентов-биологов учат, что ДНК кодирует всего 20 аминокислот, из которых состоят все белки жизни. Но исследователи хотели бы создавать белки из сотен экзотических аминокислот, которые не встречаются в жизни. Предпочтение белкового механизма клетки стандартным аминокислотам мешало им использовать всю палитру. И вот теперь исследователи сообщают, что им удалось разработать эффективный способ заставить бактерии добавлять в белки структурно необычные аминокислоты. Пока им удалось добиться успеха всего с четырьмя экзотическими строительными блоками, но их подход может привести к созданию лекарственных препаратов, которые дольше сохраняются в организме, и лучших катализаторов для промышленности.
"Это большое достижение - ввести эти новые категории аминокислот в белки", - считает Чанг Лю, химик из Калифорнийского университета, не участвовавший в исследовании, которое было опубликовано на прошлой неделе в журнале Nature.
20 распространенных аминокислот (плюс две редкие), которые живые существа охотно используют, известны как альфа-аминокислоты, что указывает на их общую химическую структуру. Самый дешевый способ создать белок - это сконструировать живые клетки для его производства, и исследователи уже не раз пытались сконструировать белковый механизм, чтобы включить в состав белков десятки нестандартных, но все же тесно связанных между собой альфа-аминокислот. Но существуют сотни еще более экзотических аминокислот, включая бета- и гамма-кислоты, которые имеют уникальные изгибы и повороты в молекулярной основе. До сих пор химики-синтетики добавляли их в белки только в лабораторных условиях.
Заставить клетку произвести любой тип белка можно двумя способами: доставить аминокислоты на рибосому, сборщик белков клетки, и уговорить рибосому пришить их к растущему белку. Доставкой аминокислот занимаются короткие фрагменты РНК, называемые трансферными РНК (тРНК). Каждая тРНК имеет трехбуквенную генетическую последовательность, которая кодирует определенную аминокислоту. Ферменты, известные как аминоацил-тРНК-синтетазы (aaRS), присоединяют соответствующую аминокислоту к каждой тРНК. Затем загруженные тРНК попадают на рибосому, где связываются с соответствующими последовательностями на длинной нити так называемой мессенджерной РНК (мРНК), содержащей полноразмерную копию гена, который должен быть переведен в белок. Рибосома проходит по нити мРНК, отрывая каждую аминокислоту и соединяя их в растущую цепочку.
Создание белка можно сравнить со сборкой поезда: сначала нужно загрузить вагоны, а затем соединить их между собой. Чтобы создать новые белки, исследователям необходимо решить задачу, чтобы оба этапа - погрузка и соединение - работали одновременно. "Если один из этих этапов не работает, система дает сбой", - поясняет Джейсон Чин, химик из Лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям Великобритании.
Недавно Чин и его коллеги нашли лучший способ сделать первый шаг. Мутировав гены ферментов aaRS, они создали миллионы альтернативных версий, которые могут связываться с экзотическими аминокислотами. Они также пометили каждую тРНК последовательностью мРНК измененных ферментов, способных загружать аминокислоты, и отследили, какие из миллионов работают. Затем они вставили гены этих ферментов в бактерии Escherichia coli и наблюдали, смогут ли их рибосомы успешно включать эти экзотические аминокислоты в белки.
Подход сработал. Чин и коллеги нашли восемь ферментов, которые успешно загружали экзотические аминокислоты, и рибосомы кишечной палочки смогли включить четыре из них в растущие белковые цепи: три бета-аминокислоты и не менее экзотическую разновидность, известную как альфа-альфа-аминокислота. "Мы вышли из тупика", - утверждает Чин, значительно ускорив процесс поиска новых ферментов-загрузчиков.
Несмотря на то, что это всего лишь принципиальное доказательство, данное достижение, скорее всего, будет иметь серьезные последствия в будущем, считает Сэмюэл Геллман, химик из Университета Висконсин-Мэдисон. Для начала, говорит Геллман, этот подход должен помочь компаниям разрабатывать препараты на основе белка, устойчивые к ферментам в организме, которые легко разрушают белки на основе альфа-аминокислот, снижая необходимость в повторных дозах. А поскольку экзотические аминокислоты имеют форму, отличную от стандартных версий, подход может также улучшить промышленные катализаторы, используемые для производства всего - от фармацевтики до топлива.
Ускорение процесса все еще зависит от готовности рибосомы время от времени принимать необычные аминокислоты. Поэтому группа Чина также усиленно работает над изменением самой рибосомы, внося систематические мутации, которые позволяют ей распознавать кодоны тРНК, не встречающиеся в природе, и принимать аминокислоты необычной формы. Чин считает, что по мере того, как связь между направлениями исследований будут сходиться воедино, его команда сможет сконструировать с помощью бактерий совершенно новые белковоподобные полимерные материалы, состоящие исключительно из экзотических аминокислот, которые могут придать им новые свойства, что открывает простор для создания совершенно новых синтетических полимеров.
