تطوير الشفرة الوراثية: دمج الأحماض الأمينية الجديدة لتعزيز قدرات هندسة البروتين

أعاد الباحثون في علم الأحياء التركيبية استخدام الكودونات التي نادرا ما تستخدم لدمج الأحماض الأمينية الجديدة في البروتينات، مما يعزز مجال هندسة البروتين.

تنتج الكائنات الحية بشكل طبيعي مجموعة كبيرة من البروتينات من خلال ترتيب 20 حمضا أمينيا قياسيا في تسلسلات وأطوال مختلفة. تاريخيا، شهدت محاولات توسيع هذا النطاق من خلال إدخال الأحماض الأمينية الاصطناعية في البروتينات نجاحا محدودا، ويرجع ذلك أساسا إلى أن الخلايا أدرجت هذه المكونات الإضافية في جزء صغير فقط من البروتينات المستهدفة.

تقدم دراسة حديثة نشرت في مجلة ساينس نهجا رائدا لتضمين الأحماض الأمينية الجديدة في البروتينات. تقدم هذه التقنية مسارا جديدا لتوليد بروتينات ذات خصائص فريدة بكميات أكبر، مما يؤدي إلى تقدم كبير في علم الأحياء التركيبية.

علق جيمس فان ديفينتر، مهندس البروتين في جامعة تافتس الذي لم يشارك في البحث، قائلا: "حقق الفريق كفاءة تزيد عن 80 بالمائة، مما يدل على التزامهم التام بهذا العمل".

في تخليق البروتين، تتبع الريبوسومات التعليمات الجينية التي تنتقل عبر نسخ الحمض النووي الريبي، والتي تحدد تسلسل الأحماض الأمينية العشرين. يتكون الحمض النووي الريبي من أربع قواعد فقط - الأدينين (A)، والسيتوزين (C)، والجوانين (G)، واليوراسيل (U). لترميز الأحماض الأمينية العشرين، تفسر الريبوسومات هذه القواعد في مجموعات من ثلاث قواعد، تعرف باسم الكودونات، والتي يوجد منها 64 نوعا مختلفا. تطابق جزيئات الحمض النووي الريبي الناقل (tRNA) هذه الكودونات مع أحماض أمينية معينة وتساعد في بناء سلسلة البروتين. من بين الكودونات الـ 64، هناك ثلاثة كودونات توقف تشير إلى نهاية عملية تخليق البروتين عن طريق توجيه الريبوسوم لإطلاق سلسلة البولي ببتيد المكتملة.

في الجهود السابقة لتوسيع الشفرة الجينية، حاول الباحثون تقديم الحمض النووي الريبي الناقل (tRNA) المرتبط بحمض أميني غير قياسي ويمكنه التعرف على كودون التوقف. ولكن هذا النهج لم ينجح إلى حد كبير لأن البروتينات المسؤولة عن الإشارة إلى نهاية تخليق البروتين كانت لديها تقارب أقوى لكودون التوقف مقارنة بالرنا الناقل المعدل. ونتيجة لذلك، احتفظت كودونات التوقف عادة بوظيفتها الأصلية. وأوضح شيكسيان لين، عالم الأحياء الاصطناعية من جامعة تشجيانغ والمؤلف المشارك للدراسة، أن "كفاءة هذه الطريقة كانت أقل من خمسة في المائة بشكل عام، مما يجعلها غير عملية لمعظم التطبيقات". واقترح لين أن استخدام الرنا الناقل المصمم للاقتران بكودون نادر قد يكون أكثر فعالية. وفي الحالات التي تكون فيها الكودونات نادرة، تنتج الخلية عددا أقل من الرنا الناقل المقابل، وبالتالي تقليل المنافسة وزيادة الكفاءة المحتملة.

تحسين استخدام الكودونات النادرة: تعزيز هندسة البروتين باستخدام مناهج الرنا الناقل المستهدفة

أولا، احتاج فريق لين إلى تحديد الكودونات النادرة في سلالات الخلايا البشرية حيث استخدموا تسلسل الرنا لتحديد الثلاثيات السبع الأقل استخداما للكودونات. وللتعرف على أي من هذه الكودونات النادرة يمكن الاستفادة منها بشكل أكثر فعالية، قاموا بدمج كل من الكودونات السبعة في جين البروتين الفلوري الأخضر المعزز (eGFP) وأدخلوا هذا الجين المعدل إلى الخلايا. ثم عالجوا مزارع الخلايا باستخدام الحمض النووي الريبي الناقل الاصطناعي، الذي يحمل حمضا أمينيا غير قياسيا مميزا وقابلا للتتبع صمم للتعرف على هذه الكودونات النادرة كما اكتشف الباحثون أن كودون TCG أدى إلى أعلى نسبة دمج للحمض الأميني الجديد في البروتين.

نظرا لأن كودون TCG يوجه الريبوسوم بفعالية لإضافة الحمض الأميني غير القياسي إلى البروتين المطلوب، فقد افترض العلماء أنه قد يدمج أيضا هذا الحمض الأميني الجديد في بروتينات خلوية أخرى تحتوي على الكودون النادر، مما قد يؤثر على وظائفها. لتقييم الدمج غير المقصود في الخلفية، قاموا بتعريض الخلايا لحمض نووي ريبوزي ناقل مختلف يحمل حمضا أمينيا قابلًا للتتبع، حيث يتعرف كل منها إما على كودون TCG أو على أحد الكودونات النادرة الستة الأخرى. وبعد استخراج وتلوين جميع البروتينات الخلوية للحمض الأميني القابل للتتبع، وجدوا أن الحمض النووي الريبوزي الناقل الخاص بـ TCG أعطى أضعف إشارة، مما يشير إلى أدنى مستوى من الدمج غير المحدد في البروتينات الأخرى.

لتحديد سبب تأثير كودون TCG بشكل ضئيل على البروتينات الأخرى، قام فريق لين بتحليل تسلسلات الحمض النووي الريبوزي المحيطة بكودون TCG. ووجدوا أن كفاءة دمج الحمض الأميني غير القياسي تأثرت بالتسلسلات المحيطة بالكودون. وأوضح لين: "اكتشفنا أنه حتى تعدد أشكال النوكليوتيدات الفردية قبل الكودون يمكن أن يغير بشكل كبير كفاءة إعادة الترميز". ويشير هذا الاكتشاف إلى أنه يجب على الباحثين وضع الكودون النادر بعناية داخل التسلسل. وأضاف: "في بعض الحالات، يمكن أن يؤدي نقل هذه الكودونات النادرة إلى مواقع مختلفة داخل البروتين إلى اختلاف كفاءة إعادة الترميز بشكل كبير، حيث تتراوح من خمسة بالمائة إلى 99 بالمائة".

المصدر: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022283621006197