Одна из самых амбициозных целей современных биологов - научиться расширять или иным образом модифицировать генетический код жизни на Земле, чтобы создавать новые искусственные формы жизни. Частично мотивация этого исследования «синтетической биологии» состоит в том, чтобы лучше понять эволюцию и логику естественной биологии, которую мы унаследовали. Но есть и очень практическая мотивация: клетки можно использовать как эффективные фабрики для производства широкого спектра полезных молекул, особенно белковых терапевтических средств, на долю которых приходится все большая доля новых лекарств. Клетки, работающие с расширенным генетическим кодом, могли бы производить гораздо более разнообразный набор таких лекарств, причем делать это таким образом, чтобы значительно упростить общий процесс их разработки и производства..
Реализация великой цели рабочей, полезной синтетической биологии еще впереди. Но в исследовании, опубликованном на этой неделе в Nature Communications, ученые сделали значительный шаг к этому, разработав и продемонстрировав ключевые компоненты расширенной системы генетического кода.
«Мы дополнили инструментарий синтетической биологии, чтобы упростить исследования расширения генетического кода», - говорит старший автор исследования Ахмед Бадран, доктор философии, доцент кафедры химии Scripps Research.
Естественный генетический код, лежащий в основе жизни на Земле, используется клетками для перевода информации, содержащейся в ДНК и РНК, в аминокислотные строительные блоки белков. Молекулы ДНК и РНК представляют собой цепные молекулы, которые кодируют информацию, используя «алфавит» из четырех нуклеотидных строительных блоков или «букв». Молекулы, называемые транспортными РНК (тРНК), расшифровывают эту информацию, распознавая три буквы за раз, переводя каждый трехбуквенный «кодон» в единый аминокислотный строительный блок белка. Эта система триплетных кодонов в принципе может кодировать 64 различных аминогруппы. кислоты (43) - однако обычно в большинстве организмов используется только 20 аминокислот.
Напротив, предполагаемая квадруплетная система, основанная на четырехбуквенных кодонах, может кодировать 256 (44) различных аминокислот. Очевидно, что большинства из них не будет в природных белках, хотя некоторые из них могут представлять собой небольшие вариации природных аминокислот, что позволит создавать белки с гораздо более точно настроенными характеристиками, например, для оптимизации их эффективности и безопасности в качестве лекарственных средств.
Огромная проблема здесь связана с тем фактом, что система трансляции генов в белки является сложной системой, в которой несколько компонентов должны работать вместе гладко. Системе, существующей в живых организмах на Земле, по-видимому, потребовалось много миллионов лет, чтобы развиться до нынешнего уровня точности и эффективности. Предыдущие попытки разработать совершенно новые системы, в том числе системы квадруплетных кодонов, в последние годы дали определенные надежды.
В новом исследовании Бадран и его команда использовали эволюционный метод выживания наиболее приспособленных, называемый направленной эволюцией, для развития небольшого набора тРНК, которые в принципе могли бы работать в системе квадруплетов. Ученые показали, что эти квадруплеты тРНК могут использоваться для трансляции сегментов белка в бактериальных клетках. Они смогли транслировать шесть идентичных квадруплетных кодонов друг за другом и даже четыре совершенно разных квадруплетных кодона в одном и том же белке - и смогли сделать это с эффективностью, которая впервые находится на расстоянии поразительной дистанции от того, что было бы необходимо для функционального квадруплета. система.
Бадран подчеркивает, что, хотя система квадруплетного кода все еще находится на ранней стадии разработки методов, она должна быть очень полезной, если ее можно будет заставить работать, особенно в том, что касается прямого синтеза белков с «не «канонические» аминокислоты, которые в природе не встречаются в белках. Такие нкАА, как их называют, можно использовать для придания белкам новых биологических свойств, в том числе для создания удобных и безопасных «ручек» для белка - например, для внесения химических модификаций для улучшения терапевтических свойств белка или для прикрепление токсичной «боеголовки» к лекарству от рака, наводящему опухоль.
«Теоретически можно запрограммировать последовательность ДНК, которая транслируется в живой клетке в белок, содержащий сложный набор модификаций - модификаций, которые иначе было бы трудно или невозможно добавить», - говорит Бадран.
Бадран, присоединившийся к Scripps Research ранее в этом году, во время исследования работал в Институте Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда.
В дополнение к Бадрану исследование «Мультиплексная супрессия четырех квадруплетных кодонов с помощью направленной эволюции тРНК» было проведено в соавторстве с Эрикой ДеБенедиктис и Гавриэлой Карвер из Института Броуда, а также Кристиной Чанг и Дитером Зёллем из Йельского университета. Университет.