Инструкцию для синтеза неземных белков написали словами из четырех букв
На протяжении многих лет ученые пытались разработать систему, которая позволила бы встраивать в последовательности белков так называемые искусственные (структурно-модифицированные) аминокислоты, отличающиеся от естественных аналогов по физико-химическим и биологическим свойствам. Изменив генетический код и научившись вводить в белки искусственные аминокислоты, ученые смогли бы лучше понять суть естественных клеточных процессов, а также разработать на основе природных биологических систем искусственные, которые обладали бы принципиально новыми свойствами.
Ранее ученым удалось добиться определенных успехов в этом направлении. Как известно, единицей генетического кода является последовательность трех нуклеотидов – триплет или кодон, кодирующий определенную аминокислоту. Поскольку существует всего 4 различных нуклеотида: аденин (А), тимин (Т) (в РНК ему соответствует урацил, U), цитозин (C) и гуанин (G), возможных комбинаций триплетов может быть 43 = 64. Однако природных аминокислот всего 22, а вариантов триплетов – 64. Это явление объясняется так называемой вырожденностью генетического кода – одна аминокислота может кодироваться 4 вариантами триплетов, различающимися последним нуклеотидом (например, валин может кодироваться GUU, GUC, GUA и GUG). Сигналом остановки синтеза полипептидной цепи для рибосом служат 3 стоп-кодона: UAA (охра-), UAG (амбер-) или UGA (опал-кодон). Ученые научились встраивать искусственные неприродные (модифицированные) аминокислоты в естественную белковую цепь с помощью амбер-кодона: они изменили тРНК, соответствующую амбер-кодону, и создали несколько таких тРНК, соединенных с различными модифицированными аминокислотами, что позволило природным рибосомам встраивать в естественные полипептидные цепи искусственные аминокислоты. Одного такого кодона явно недостаточно для синтеза полностью неприродного белка. Для этого необходимо создать универсальную систему кодирования и встраивания неприродных аминокислот в полипептидную цепь.
Группа ученых, работающих под руководством специалиста по синтетической биологии Джейсона Чина (Jason Chin) из Кембриджского университета (Великобритания), разработали систему, способную узнавать кодоны не из трех, а из четырех нуклеотидов. Такая система позволит генетически кодировать до 256 (44) различных модифицированных аминокислот.
Природные рибосомы, транслирующие триплеты в одну из 22 аминокислот, не способны узнавать квадруплеты. А изменение природных рибосом таким образом, чтобы они смогли считывать квадруплеты и встраивать в белковые цепи неприродные аминокислоты, привело бы к нарушению физиологических клеточных процессов, и возможно, к гибели клетки.
Исследователи решили эту проблему следующим образом: они разработали новую рибосому, так называемую ортогональную рибосому, изменив ее участок, ответственный за узнавание последовательности мРНК, а также разработали специальную мРНК, содержащую последовательность, соответствующую участку узнавания в ортогональной рибосоме. Такой подход позволяет ортогональной рибосоме специфично узнавать и транслировать модифицированную мРНК в клетке, не затрагивая клеточные мРНК и природные рибосомы.
Ученые продемонстрировали возможность одновременного и независимого функционирования мутантной ортогональной и природной рибосом в живых клетках: они ввели ортогональные рибосомы и конструкцию, кодирующую в квадруплексной форме ген устойчивости к антибиотику, в бактериальные клетки и выращивали эти клетки в среде, содержащей кодируемый в 4-нуклеотидных кодонах антибиотик. Клетки, содержащие ортогональные рибосомы, которые успешно справились с задачей узнавания и синтеза белка по квадруплексным кодонам, выжили даже в условиях высоких концентраций антибиотика, посокльку содержали новосинтезированные белки, утилизирующие этот антибиотик.
Ортогональные рибосомы способны также транслировать и триплеты, но предпочтение отдается квадруплетам. По этой причине ортогональные рибосомы способны встраивать естественные и модифицированные аминокислоты, кодируемые амбер-кодоном, в растущие полипептидные цепи.
Владея методикой трансляции квадруплетных кодонов, ученые могут синтезировать белки, содержащие несколько модифицированных аминокислот. Группе Чина удалось синтезировать с помощью ортогональной рибосомы белок, содержащий 2 модифицированных аминокислоты, одна из которых была закодирована амбер-кодоном, а другая – квадруплетом.
Демонстрация возможности трансляции в живых клетках квадруплетов в белки, содержащие искусственные аминокислоты, открывают новую эру в синтетичесой биологии.
Статья Heinz Neumann, Adrian L. Slusarczyk and Jason W. Chin «De Novo Generation of Mutually Orthogonal Aminoacyl-tRNA Synthetase/tRNA Pairs», посвященная разработке способа узнавания кодона и сопоставления ему модифицированной аминокислоты, опубликована в Journal of American Chemical Society 1 февраля этого года.
Дарья Червякова
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам The Scientist: Genetic coding revamp
17.02.2010