Продвижение Генетического Кода: Включение Новых Аминокислот для Расширения Возможностей Белкового Инжиниринга

 Исследователи в области синтетической биологии инновационно перепрофилировали редко используемые кодоны для интеграции новых аминокислот в белки, что расширяет возможности белкового инжиниринга. Живые организмы естественным образом производят огромное разнообразие белков, комбинируя 20 стандартных аминокислот в различных последовательностях и длинах. В прошлом попытки расширить этот диапазон за счет введения синтетических аминокислот в белки имели ограниченный успех, главным образом потому, что клетки включали эти дополнительные компоненты только в небольшую часть целевых белков.

Недавниее иследование,опубликованное в журнале SCIENCE ,представляет революционный подход к встраиванию новых аминокислот в белки.эта техника предлагает новый путь для создания белков с уникальными свойствами в большем количестве,что значительно продвигает синтетическую биологию.

Джеймс Ван Девентер, инженер по белкам из Университета Тафтса, который не принимал участия в исследовании, прокомментировал: «Команда достигла более 80 процентов эффективности, что демонстрирует их глубокую приверженность этому делу».

 В процессе синтеза белков рибосомы следуют генетическим инструкциям, передаваемым через РНК-транскрипты, которые определяют последовательность из 20 аминокислот. РНК состоит всего из четырех оснований: аденина (adenine—A), цитозина (cytosine—C), гуанина (guanine—G) и урацила (uracil—U). Для кодирования 20 аминокислот рибосомы интерпретируют эти основания группами по три, известными как кодоны, которых существует 64 различных типа. Молекулы транспортной РНК (тРНК) сопоставляют эти кодоны с определенными аминокислотами и помогают в построении белковой цепи. Из 64 кодонов три являются стоп-кодонами, которые сигнализируют о завершении процесса синтеза белка, инструктируя рибосому высвободить завершенную полипептидную цепь.

В предыдущих попытках расширить генетический код исследователи пытались ввести транспортную РНК (тРНК), связанную с нестандартной аминокислотой, которая могла бы распознавать стоп-кодон. Однако этот подход оказался в основном неудачным, поскольку белки, ответственные за сигнализацию окончания синтеза белка, имели более высокое сродство к стоп-кодону, чем модифицированная тРНК. В результате стоп-кодоны обычно сохраняли свою первоначальную функцию. «Эффективность этого метода обычно была ниже пяти процентов, что делало его непрактичным для большинства применений», — объяснил Шиксиан Лин, синтетический биолог из Чжэцзянского университета и соавтор исследования. Лин предложил, что использование тРНК, спроектированной для связывания с редким кодоном, может быть более эффективным. В случаях, когда кодоны встречаются редко, клетка производит меньше соответствующей тРНК, что снижает конкуренцию и может повысить эффективность.

Оптимизация Использования Редких Кодонов: Повышение Эффективности Белкового Инжиниринга с Помощью Целевых Подходов к тРНК

 Во-первых, команде Лина нужно было идентифицировать редкие кодоны в линиях клеток человека. Они использовали секвенирование РНК, чтобы выявить семь наиболее редко используемых триплетов кодонов. Чтобы выяснить, какой из этих редких кодонов можно использовать наиболее эффективно, они внедрили каждый из семи кодонов в ген улучшенного зеленого флуоресцентного белка (eGFP) и ввели этот модифицированный ген в клетки. Затем они обработали клеточные культуры синтетической тРНК, которая несла отличающуюся, отслеживаемую нестандартную аминокислоту и была разработана для распознавания этих редких кодонов. Исследователи обнаружили, что кодон TCG привел к наибольшему встраиванию новой аминокислоты в белок.

Поскольку кодон TCG эффективно направлял рибосому на добавление нестандартной аминокислоты в нужный белок, ученые предположили, что он также может встраивать эту новую аминокислоту в другие клеточные белки, содержащие редкий кодон, потенциально влияя на их функции. Чтобы оценить непреднамеренную фоновую инкорпорацию, они подвергли клетки воздействию различных ТРНК, несущих прослеживаемую аминокислоту, каждая из которых распознает либо кодон TCG, либо один из шести других редких кодонов. После экстракции и окрашивания всех клеточных белков на наличие отслеживаемой аминокислоты они обнаружили, что тРНК, специфичная для TCG, дала самый слабый сигнал, указывающий на наименьший уровень неспецифического включения в другие белки.

Чтобы определить, почему кодон TCG минимально влияет на другие белки, команда Лина проанализировала РНК-последовательности, окружающие кодон TCG. Они обнаружили, что эффективность включения нестандартной аминокислоты зависит от последовательностей, прилегающих к кодону. «Мы обнаружили, что даже один полиморфизм одного нуклеотида выше по последовательности от кодона может значительно изменить эффективность перекодирования», — объяснил Лин. Это открытие предполагает, что исследователям следует тщательно позиционировать редкий кодон внутри последовательности. «В некоторых случаях перемещение этих редких кодонов в разные места внутри белка может привести к значительным изменениям в эффективности перекодирования, варьируя от пяти до 99 процентов», — добавил он.

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