Практически все живые организмы строят свои белки из комбинаций 20 различных аминокислот.
Чтобы добавить новые аминокислоты, ученые перестраивают гены и другие части белкового механизма, в результате чего получаются белки с уникальными химическими свойствами, полезными для создания лекарств. Но эта работа трудоемка, и, как правило, за один раз можно добавить только одну новую аминокислоту. Сейчас исследователи открыли возможности, позволяющие сделать гораздо больше. Они сообщают, что благодаря широкой перезаписи генома бактерии они могут добавлять множество новых аминокислот в один белок. Эта работа может открыть новые пути для синтеза антибиотиков и противоопухолевых препаратов.
"Я очень впечатлен этой работой", - говорит Чанг Лю, биолог-синтетик из Калифорнийского университета в Ирвайне. "Это значительная веха на пути реинжиниринга генетического кода". Новые усилия предпринимаются уже несколько десятилетий. Один из первых подходов к созданию дизайнерских белков заключался в том, чтобы захватить клеточные компоненты, производящие белки, и заставить их вставлять неприродные аминокислоты. Когда клетки создают белки, код ДНК, состоящий из A, C, G и T, сначала копируется в РНК (в которой U заменяет T). РНК читается как серия трехбуквенных слов, известных как кодоны, большинство из которых кодируют одну из 20 естественных аминокислот, которые должны быть вставлены в белок. Но поскольку существует 64 трехбуквенных кодона, есть и дубликаты: например, шесть кодонов кодируют аминокислоту серин. Три кодона не кодируют аминокислоту; вместо этого они дают клеткам команду прекратить строительство белков.
Первоначально исследователи вставляли ненатуральные аминокислоты, заставляя клеточный механизм добавлять их каждый раз, когда он видел определенный стоп-кодон. Хотя этот подход стал более сложным, он все еще может вставлять только одну аминокислоту в белок, говорит Джейсон Чин, биолог-синтетик из Лаборатории молекулярной биологии Совета медицинских исследований. В надежде добавить больше, Чин и его коллеги попытались перепрофилировать два из шести кодонов, которые обычно кодируют серин. В исследовании 2019 года ученые использовали инструмент редактирования генов CRISPR-Cas9 для создания штамма Escherichia coli, известного как Syn61. Для его создания они заменили более 18 000 кодонов серина в геноме бактерии длиной 4 миллиона оснований. Исследователи заменили UCG и UCA, а также стоп-кодон UAG на их "синонимы" AGC, AGU и UAA, соответственно. Это означало, что серин по-прежнему будет встраиваться в нужные места растущих белков Syn61. Но кодоны UCG, UCA и UAG теперь были фактически "пустышками", которые больше не кодировали ничего в белке, и поэтому были готовы к повторному использованию.
Такого перепрофилирования и добились Чин и его коллеги. Работая с Syn61, ученые удалили гены молекул, называемых трансферными РНК (тРНК), которые распознают UGC и UCA и вставляют серин в растущий белок. Они также удалили химическое соединение, которое выключает синтез белка в ответ на стоп-кодон UAG. Затем исследователи добавили гены с новыми тРНК, которые вставляли ненатуральные аминокислоты всякий раз, когда встречали UGC, UCA или UAG. Наконец, они снова вписали эти кодоны в геном, где должны были появиться ненатуральные аминокислоты. Это позволило им добавить сразу три неестественные аминокислоты в отдельные белки и они также могли записывать несколько копий каждой из них.
"Это действительно произвело эффект", - говорит Абхишек Чаттерджи, биолог-синтетик из Бостонского колледжа. Изменения позволили Чину и его коллегам соединить новые аминокислоты в ряд циклических структур, которые очень похожи на существующие антибиотики и противоопухолевые препараты. А поскольку существуют десятки различных ненатуральных аминокислот на выбор, таким образом можно вводить бесчисленные комбинации.
Это открывает путь к созданию огромных библиотек потенциальных новых лекарственных средств, говорит Чаттерджи.
Чин добавляет, что исследователи также могут расширить стратегию и использовать другие избыточные кодоны, чтобы добавить еще больше новых аминокислот и еще больше химического разнообразия.
Возможно, не менее интересным, по словам Лю, было то, что массовые изменения генома означали для вирусов, которые обычно инфицируют кишечную палочку. В 2013 году исследователи сообщили, что изменение стоп-кодонов E. coli может нарушить способность вирусов к репликации. Это произошло потому, что вирусы полагаются на естественные кодоны E. coli для создания функциональных белков. Эта стратегия не помогла остановить вирусные инфекции, поскольку стоп-кодоны встречаются не так уж часто, и некоторые вирусы смогли эволюционировать, чтобы обойти изменения.
Но вирусам обычно требуется гораздо больше серинов в каждом белке. Поскольку модифицированный Syn61 больше не вставлял серин, когда его механизм построения белка считывал кодоны UCG или UCA, вирусы не могли заставить Syn61 строить рабочие вирусные белки, тем самым не позволяя им размножаться в бактериальных клетках. "Это выглядит гораздо более надежным", чем предыдущий подход, говорит Лю.
Это, добавляет он, может стать благом для биотехнологических компаний, стремящихся защитить сконструированные организмы, которые производят лекарства или другие ценные химические вещества.
