В последние годы ученые создали бактерии с расширенным генетическим кодом, которые производят белки, состоящие из более широкого спектра молекулярных строительных блоков, что открывает многообещающий фронт в белковой инженерии.
Теперь ученые Scripps Research показали, что такие синтетические бактерии могут вырабатывать в лаборатории белки с улучшенными свойствами, используя механизмы, которые могут быть невозможны с 20 природными строительными блоками аминокислот.
Подвергая бактерии с искусственно расширенным генетическим кодом воздействию температур, при которых они не могут нормально расти, исследователи обнаружили, что некоторые из бактерий развили новые термостойкие белки, которые остаются стабильными при температурах, при которых они обычно инактивируются. Исследователи сообщили о своих выводах в Журнале Американского химического общества (JACS).
Практически каждый организм на Земле использует одни и те же 20 аминокислот в качестве строительных блоков для создания белков - больших молекул, которые выполняют большинство клеточных функций. Питер Шульц, доктор философии, старший автор статьи JACS, а также президент и генеральный директор Scripps Research, впервые разработал метод перепрограммирования собственного механизма биосинтеза белков клетки для добавления к белкам новых аминокислот, называемых неканоническими аминокислотами (NCAA), с химические структуры и свойства, которых нет у обычных 20 аминокислот.
Этот расширенный генетический код использовался в прошлом для рационального конструирования белков с новыми свойствами для использования в качестве инструментов для изучения того, как белки работают в клетках, и в качестве новых высокоточных лекарств от рака. Исследователи теперь задались вопросом, имеют ли синтетические бактерии с расширенным генетическим кодом эволюционное преимущество перед теми, которые ограничены 20 строительными блоками - код из 21 аминокислоты лучше, чем код из 20 аминокислот с точки зрения эволюционной приспособленности?
«С тех пор, как мы впервые расширили диапазон аминокислот, которые могут быть включены в белки, было проделано много работы по использованию этих систем для создания молекул с новыми или улучшенными свойствами», - говорит Шульц. «Здесь мы показали, что, сочетая расширенный генетический код с лабораторной эволюцией, можно создавать белки с улучшенными свойствами, которые, возможно, не легко достижимы с более ограниченным набором природных».
Ученые начали с модификации генома кишечной палочки, чтобы бактерии могли продуцировать белок гомосерин-о-сукцинилтрансферазу (metA), используя код из 21 аминокислоты вместо обычного кода из 20 аминокислот. Важный метаболический фермент, metA определяет максимальную температуру, при которой E.coli может процветать. Выше этой температуры метаА начинает инактивироваться, и бактерии погибают. Затем исследователи создали мутанты metA, в которых почти любая аминокислота в природном белке могла быть заменена 21-й неканонической аминокислотой.
В этот момент они позволили естественному отбору - центральному механизму эволюции - творить чудеса. Нагревая бактерии до 44 градусов Цельсия - температуры, при которой нормальный белок metA не может функционировать и, как следствие, бактерии не могут расти, - ученые оказывали избирательное давление на популяцию бактерий. Как и ожидалось, некоторые из мутантных бактерий смогли выжить за пределами их типичного температурного потолка благодаря обладанию мутантным metA, который был более термостабильным - все остальные бактерии погибли.
Таким образом, исследователи смогли заставить бактерии развить мутантный фермент metA, который мог выдерживать температуры на 21 градус выше нормы, что почти вдвое превышает повышение термостабильности, которого обычно достигают люди, ограниченные мутациями, ограниченными общие строительные блоки из 20 аминокислот.
Затем исследователи определили конкретное изменение генетической последовательности, которое привело к появлению мутанта metA, и обнаружили, что это связано с уникальными химическими свойствами одной из их неканонических аминокислот, которые лабораторная эволюция искусно использовала для стабилизации белка.
«Поразительно, как такая небольшая мутация с новой аминокислотой, не встречающейся в природе, приводит к такому значительному улучшению физических свойств белка», - говорит Шульц.
"Этот эксперимент поднимает вопрос о том, является ли код из 20 аминокислот оптимальным генетическим кодом - если мы обнаружим формы жизни с расширенными кодами, будут ли они иметь эволюционное преимущество, и какими бы мы были, если бы Бог работал над седьмой день и добавили в код еще несколько аминокислот?"
Кроме Шульца, среди авторов исследования «Повышение стабильности белка с помощью генетически кодируемых неканонических аминокислот» Джек С. Ли, Тао Лю, Ян Ван и Ангад П. Мехта, Scripps Research. Исследование было поддержано Национальным институтом здравоохранения (грант R01 GM062159).