У природы есть определенный рецепт приготовления белков.

Тройки букв ДНК преобразуются в 20 молекул, называемых аминокислотами. Эти основные строительные блоки затем по-разному соединяются в головокружительный набор белков, из которых состоят все живые существа. Белки формируют ткани тела, оживляют их при повреждении и управляют сложными процессами, поддерживая внутреннюю работу нашего тела, как хорошо смазанные машины.

Изучение структуры и активности белков может пролить свет на болезни, способствовать разработке лекарств и помочь нам понять сложные биологические процессы, например, те, которые происходят в мозге или старении. Белки становятся незаменимыми и в небиологическом контексте, например, при производстве экологически чистого биотоплива.

Тем не менее, имея всего 20 молекулярных строительных блоков, эволюция, по сути, наложила ограничения на возможности белков. А что, если бы мы могли расширить словарный запас природы?

Создавая новые аминокислоты, не встречающиеся в природе, и внедряя их в живые клетки, экзотические белки могли бы сделать больше. Например, добавление синтетических аминокислот к препаратам на основе белка, например препаратам для иммунотерапии, может немного изменить их структуру, чтобы они дольше сохранялись в организме и более эффективны. Новые белки также открывают двери для новых химических реакций, которые разрушают пластик или более легко разлагаемые материалы с другими свойствами.

Но есть проблема. Экзотические аминокислоты не всегда совместимы с механизмами клетки.

Новое исследование in природа, под руководством эксперта по синтетической биологии доктора Джейсона Чина из Лаборатории молекулярной биологии Совета медицинских исследований в Кембридже, Великобритания, приблизили мечту. Используя недавно разработанный молекулярный экран, они обнаружили и вставили четыре экзотические аминокислоты в белок внутри бактериальных клеток. Промышленные фавориты для производства инсулина и других белковых лекарств, бактерии с готовностью приняли экзотические строительные блоки как свои собственные.

Все вновь добавленные компоненты отличаются от естественных компонентов клетки, а это означает, что добавки не мешают нормальным функциям клетки.

«Это большое достижение — превратить эти новые категории аминокислот в белки», — сказал доктор Чанг Лю из Калифорнийского университета в Ирвине, который не участвовал в исследовании. заявил Наука.

Синтетический тупик

Добавление экзотических аминокислот в живое существо — кошмар.

Представьте ячейку как город с множеством «районов», выполняющих свои собственные функции. Ядро, имеющее форму косточки абрикоса, содержит нашу генетическую программу, записанную в ДНК. За пределами ядра работают фабрики по производству белка, называемые рибосомами. Между тем, РНК-мессенджеры курсируют между ними, как скоростные поезда, перевозящие генетическую информацию для превращения в белки.

Как и ДНК, РНК состоит из четырех молекулярных букв. Каждая трехбуквенная комбинация образует «слово», кодирующее аминокислоту. Рибосома считывает каждое слово и вызывает соответствующую аминокислоту на фабрику, используя молекулы транспортной РНК (тРНК), чтобы захватить их.

Молекулы тРНК созданы специально для захвата определенных аминокислот с помощью своего рода высокоспецифичного белкового «клея». Попав в рибосому, аминокислота отрывается от молекулы-носителя и сшивается в аминокислотную цепочку, которая скручивается в сложные белковые формы.

Очевидно, что эволюция создала сложную систему производства белков. Неудивительно, что добавление синтетических компонентов — непростая задача.

Еще в 1980-х годах Ученые нашел способ прикрепить синтетические аминокислоты к носителю внутри пробирки. Совсем недавно они включенный неестественные аминокислоты в белки внутри клеток бактерий, захватывая их собственные внутренние фабрики, не влияя при этом на нормальное функционирование клеток.

Помимо бактерий, Чин и коллеги ранее взломанная тРНК и соответствующий ей «клей» — тРНК-синтетаза — для добавления экзотического белка в клетки мозга мыши.

Перепрограммирование механизма построения белка в клетке, не нарушая его, требует хрупкого баланса. Клетка нуждается в модифицированных носителях тРНК, чтобы захватывать новые аминокислоты и перетаскивать их к рибосоме. Затем рибосома должна распознать синтетическую аминокислоту как свою собственную и сшить ее в функциональный белок. Если какой-либо из шагов спотыкается, инженерная биологическая система терпит неудачу.

Расширение генетического кода

Новое исследование было сосредоточено на первом этапе — разработке лучших носителей экзотических аминокислот.

Команда сначала мутировала гены «клеевого» белка и создала миллионы потенциальных альтернативных версий. Каждый из этих вариантов потенциально может захватить экзотические строительные блоки.

Чтобы сузить область исследования, они обратились к молекулам тРНК, переносчикам аминокислот. Каждый носитель тРНК был помечен кусочком генетического кода, который прикреплялся к мутировавшим «клеевым» белкам, как рыболовный крючок. В результате удалось найти восемь многообещающих пар из миллионов потенциальных структур. Другой скрининг сосредоточился на группе «клеевых» белков, которые могли прикрепляться к множеству типов искусственных белковых строительных блоков, включая те, которые сильно отличаются от натуральных.

Затем команда вставила гены, кодирующие эти белки, в Кишечная палочка клетки бактерий, любимые для тестирования рецептов синтетической биологии.

В целом восемь «клеевых» белков успешно загрузили экзотические аминокислоты в естественный механизм производства белка бактерий. Многие синтетические строительные блоки имели странную структуру скелета, обычно несовместимую с природными рибосомами. Но с помощью модифицированных тРНК и «склеивающих» белков рибосомы включили четыре экзотические аминокислоты в новые белки.

Результаты «расширяют химические рамки генетического кода» для создания новых типов материалов, объяснила команда в своей статье.

A Whole New World

Ученые уже нашли сотни экзотических аминокислот. Модели искусственного интеллекта, такие как AlphaFold или RoseTTAFold, и их вариации, вероятно, будут порождать еще больше. Поиск носителей и подходящих «связывающих» белков всегда был препятствием.

Новое исследование создает метод, позволяющий ускорить поиск новых дизайнерских белков с необычными свойствами. На данный момент метод может включать только четыре синтетические аминокислоты. Но учёные уже предполагают их применение.

Белковые препараты, изготовленные из этих экзотических аминокислот, имеют форму, отличную от их природных аналогов, что защищает их от распада внутри организма. Это означает, что они действуют дольше и уменьшают необходимость в многократном приеме. Подобная система могла бы производить новые материалы, такие как биоразлагаемый пластик, который, как и белки, также основан на сшивании отдельных компонентов.

На данный момент технология опирается на толерантность рибосомы к экзотическим аминокислотам, которая может быть непредсказуемой. Далее команда хочет модифицировать саму рибосому, чтобы она лучше переносила странные аминокислоты и их носители. Они также стремятся создать белковоподобные материалы, полностью состоящие из синтетических аминокислот, которые могли бы улучшить функции живых тканей.

«Если бы вы могли кодировать расширенный набор строительных блоков так же, как мы кодируем белки, тогда мы могли бы превратить клетки в живые фабрики по закодированному синтезу полимеров для всего: от новых лекарств до материалов», — сказал Чин в предыдущем интервью. «Это очень захватывающая область».

Изображение Фото: Национальный институт аллергии и инфекционных заболеваний, Национальный институт здоровья

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2024/01/23/scientists-coax-bacteria-into-making-exotic-proteins-not-found-in-nature/