Σχεδόν όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί κατασκευάζουν τις πρωτεΐνες τους, από συνδυασμούς 20 διαφορετικών αμινοξέων. Για να προσθέσουν νέα αμινοξέα στο μείγμα, οι επιστήμονες έχουν ξανασχεδιάσει γονίδια και άλλα κομμάτια μηχανών δημιουργίας πρωτεϊνών, με αποτέλεσμα πρωτεΐνες με μοναδικές χημικές ιδιότητες που θα φανούν χρήσιμες στην παρασκευή φαρμάκων. Πρόκειται για μία εργασία επίπονη αφού συνήθως μπορεί να προσθέσει μόνο ένα νέο αμινοξύ κάθε φορά.
Οι ερευνητές αναφέρουν ότι μια ευρεία επανεγγραφή του γονιδιώματος ενός βακτηρίου, τους επιτρέπει να προσθέσουν πολλά νέα αμινοξέα σε μία πρωτεΐνη. Η εργασία θα μπορούσε να ανοίξει νέους τρόπους για τη σύνθεση αντιβιοτικών και αντικαρκινικών φαρμάκων.
«Είμαι πολύ εντυπωσιασμένος από αυτό το άρθρο», λέει ο Chang Liu, συνθετικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine. «Είναι ένα σημαντικό ορόσημο στο τόξο της γενετικής τροποποίησης του γενετικού κώδικα.»
Η νέα προσπάθεια βρίσκεται σε εξέλιξη, εδώ και δεκαετίες. Μια πρώιμη προσέγγιση για τη δημιουργία πρωτεϊνών σχεδιαστών, ήταν η κυτταρική συνιστώσα παραγωγής πρωτεϊνών και η εισαγωγή τους σε αφύσικα αμινοξέα. Όταν τα κύτταρα παράγουν πρωτεΐνες, ο κωδικός DNA των A, C, G και T αντιγράφεται πρώτα σε RNA (στο οποίο το U αντικαθιστά το Τ). Το RNA διαβάζεται ως μια σειρά λέξεων τριών γραμμάτων, γνωστών ως κωδικονίων, οι περισσότερες από τις οποίες κωδικοποιούν ένα από τα 20 φυσικά αμινοξέα που θα εισαχθούν στην πρωτεΐνη. Αλλά επειδή υπάρχουν 64 κωδικόνια τριών γραμμάτων, υπάρχουν διπλά: Έξι κωδικόνια, για παράδειγμα, κωδικοποιούν τη σερίνη αμινοξέων. Τρία κωδικόνια δεν κωδικοποιούν ένα αμινοξύ. Αντί αυτού, δίνουν εντολή στα κύτταρα να σταματήσουν να δημιουργούν πρωτεΐνες.
Αρχικά, οι ερευνητές εισήγαγαν μη φυσικά αμινοξέα ζητώντας από τα κυτταρικά μηχανήματα να προσθέσουν ένα κάθε φορά που είδε ένα συγκεκριμένο κωδικόνιο διακοπής. Αν και αυτή η προσέγγιση έχει εξελιχθεί πιο εξελιγμένη, μπορεί γενικά να εισαγάγει μόνο ένα αμινοξύ ανά πρωτεΐνη, λέει ο Jason Chin, συνθετικός βιολόγος στο Ιατρικό Εργαστήριο του Συμβουλίου Μοριακής Βιολογίας
Ελπίζοντας να προσθέσει περισσότερα, ο Chin και οι συνάδελφοί του προσπάθησαν να επαναχρησιμοποιήσουν δύο από τα έξι κωδικόνια που συνήθως κωδικοποιούν τη σερίνη. Σε μια μελέτη του 2019, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το εργαλείο επεξεργασίας γονιδίων CRISPR-Cas9 για να δημιουργήσουν ένα στέλεχος Escherichia coli γνωστό ως Syn61 . Για να το καταφέρουν, αντικατέστησαν περισσότερα από 18.000 κωδικόνια σερίνης στο γονιδίωμα μήκους 4 εκατομμυρίων βάσεων του βακτηρίου. Οι ερευνητές αντικατέστησαν το UCG και το UCA – και το κωδικόνιο στοπ UAG – με τα “συνώνυμα” AGC, AGU και UAA αντίστοιχα. Αυτό σήμαινε ότι η σερίνη θα εξακολουθούσε να ενσωματώνεται στα σωστά σημεία των πρωτεϊνών του Syn61. Αλλά τα κωδικόνια UCG, UCA και UAG ήταν τώρα ουσιαστικά «κενά» που δεν κωδικοποιούσαν πλέον τίποτα στην πρωτεΐνη, και έτσι ήταν έτοιμα να επανατοποθετηθούν.
Αυτή η επανατοποθέτηση είναι αυτό που ο Τσιν και οι συνάδελφοί του, έχουν πλέον επιτύχει. Σε συνεργασία με το Syn61, οι επιστήμονες διέγραψαν γονίδια για μόρια που ονομάζονται RNA μεταφοράς (tRNAs) που αναγνωρίζουν UGC και UCA και εισάγουν σερίνη σε μια αναπτυσσόμενη πρωτεΐνη. Αφαίρεσαν επίσης τη χημική ένωση που απενεργοποιεί τη σύνθεση πρωτεϊνών σε απόκριση στο κωδικόνιο διακοπής UAG. Στη συνέχεια, οι ερευνητές πρόσθεσαν γονίδια με νέα tRNA που θα εισήγαγαν μη φυσικά αμινοξέα κάθε φορά που αντιμετώπιζαν UGC, UCA ή UAG. Τέλος, έγραψαν αυτά τα κωδικόνια πίσω στο γονιδίωμα όπου ήθελαν να εμφανιστούν αφύσικα αμινοξέα. Αυτό τους επέτρεψε να προσθέσουν τρία αφύσικα αμινοξέα ταυτόχρονα σε μεμονωμένες πρωτεΐνες , αναφέρουν οι ερευνητές σήμερα στο Science . Θα μπορούσαν επίσης να γράψουν πολλά αντίγραφα του καθενός.
«Πραγματικά είχε αντίκτυπο», λέει ο Abhishek Chatterjee, συνθετικός βιολόγος στο Boston College. Οι αλλαγές επέτρεψαν στον Chin και τους συναδέλφους του να δέσουν τα νέα αμινοξέα μαζί σε μια σειρά κυκλικών δομών που μοιάζουν πολύ με υπάρχοντα αντιβιοτικά και αντικαρκινικά φάρμακα. Και επειδή υπάρχουν δεκάδες διαφορετικά αφύσικα αμινοξέα για να διαλέξετε, μυριάδες συνδυασμοί θα μπορούσαν να εισαχθούν με αυτόν τον τρόπο. Αυτό ανοίγει την πόρτα για τη δημιουργία τεράστιων βιβλιοθηκών πιθανών νέων ναρκωτικών, λέει ο Chatterjee. Ο Chin προσθέτει ότι οι ερευνητές μπορούν επίσης να επεκτείνουν τη στρατηγική για την επαναχρησιμοποίηση άλλων περιττών κωδικονίων για να προσθέσουν ακόμη περισσότερα νέα αμινοξέα – και περισσότερη χημική ποικιλία – στο μείγμα.
Το 2013, οι ερευνητές ανέφεραν ότι ο επανασχεδιασμός των κωδικονίων διακοπής του E. coli θα μπορούσε να διαταράξει την ικανότητα αναπαραγωγής των ιών . Αυτό συνέβη επειδή οι ιοί βασίζονται στα φυσικά κωδικόνια του E. coli για την παραγωγή λειτουργικών πρωτεϊνών. Η στρατηγική δεν ήταν αλάνθαστη για τη διακοπή ιογενών λοιμώξεων, επειδή τα κωδικόνια διακοπής δεν συμβαίνουν τόσο συχνά, και ορισμένοι ιοί μπόρεσαν να εξελιχθούν γύρω από τις αλλαγές.
Όμως οι ιοί συνήθως απαιτούν πολύ περισσότερες σερίνες σε κάθε πρωτεΐνη. Επειδή το τροποποιημένο Syn61 δεν εισήγαγε πλέον σερίνη όταν ο μηχανισμός παραγωγής πρωτεϊνών του διαβάζει UCG ή UCA κωδικόνια, οι ιοί δεν μπορούσαν να κάνουν το Syn61 να δημιουργήσει λειτουργικές ιικές πρωτεΐνες, εμποδίζοντας έτσι την αναπαραγωγή στα βακτηριακά κύτταρα.
«Αυτό φαίνεται πολύ πιο ισχυρό» από την προηγούμενη προσέγγιση, λέει ο Liu. Αυτό, θα μπορούσε να είναι ένα όφελος για τις εταιρείες βιοτεχνολογίας που θέλουν να προστατεύσουν τους μηχανικούς οργανισμούς που παράγουν φάρμακα ή άλλες πολύτιμες χημικές ουσίες.
