Ученые научились изменять работу клеток живых организмов при помощи ДНК и могут теперь программировать синтез белков в этих клетках с более чем 200 искусственными аминокислотами, не встречающимися в природе, что позволит получать белковые молекулы с заданными полезными свойствами для человека или для самих организмов.
Внедрение искусственных аминокислот в структуру белков было осуществимо и ранее, однако до сих пор естественные ограничения природного генетического кода не позволяли ученым внедрять в белки более одной аминокислоты. Группа ученых во главе с Джейсоном Чином (Jason Chin) из Кембриджского университета впервые показала возможность внедрения в природные белковые молекулы более одной аминокислоты в строго определенной позиции.
Для этого ученые заставили органеллы клетки бактерий Escherichia coli, отвечающие за синтез белков, по новому "прочитывать" генетический код ДНК, а именно: распознавать нуклеотиды ДНК - единичные "буквы" генетического кода - в группах по четыре, а не по три, как это происходит во всех живых организмах. Всего в природе существует четыре "буквы" ДНК: аденин, гуанин, тимин и цитозин, которые считываются рибосомами, органеллами, отвечающими за синтез белков в группах по три буквы. Каждое сочетание трех "букв", называемое кодоном, отвечает какой-либо одной аминокислоте или означает конец процесса синтеза белка. Всего существует 64 таких кодона, которые природа сумела приспособить для синтеза белков из 22 различных аминокислот.
Группа Чина, "научив" рибосомы клеток E.coli считывать "буквы" в кодонах, состоящих из четырех "букв", создала таким образом дополнительно 256 комбинаций нуклеотидов, не отвечающих каким-либо природным аминокислотам. Эти новые кодоны могут быть искусственно поставлены в соответствие синтетическим аминокислотам, не встречающимся в природе и обладающими уникальными свойствами. Встраивание кодонов в существующие природные белковые молекулы позволит наделить их новыми полезными свойствами.
"Наша работа - это начало использования совершенно нового искусственного генетического кода, параллельно существующему природному", - сказал Чин в интервью. Команда Чина с помощью своей разработки сумела встроить две искусственные аминокислоты в белки E.coli. Как показали исследователи в своей работе, встроенные искусственные аминокислоты оказались способны взаимодействовать между собой, уже будучи внедренными в структуру белковой молекулы. Подобные связи между аминокислотами в белках многочисленны: они позволяют им удерживать свою трехмерную структуру, обуславливающую их уникальные функциональные свойства.
Однако связи между природными аминокислотами, называемые дисульфидными мостиками, весьма непрочны и легко разрушаются под воздействием повышенной температуры или агрессивной химической среды. Связи между искусственными аминокислотами Чина в белках, как оказалось намного прочнее, что может быть использовано в физиологически активных белковых молекулах, применяемых в фармацевтических препаратах. Такие молекулы могут использоваться для создания лекарств для перорального применения, поскольку они устойчивы к агрессивной среде желудка.
Синтетические белки с искусственными аминокислотами, которые синтезируются внутри клеток организмов, могут найти применение и в самих организмах, наделяя их новыми возможностями. Например, организмы, обладающие в своих клетках более устойчивыми белками, по сравнению с обычными, могут быть более устойчивыми к негативным воздействиям внешней среды.
Для этого ученые заставили органеллы клетки бактерий Escherichia coli, отвечающие за синтез белков, по новому "прочитывать" генетический код ДНК, а именно: распознавать нуклеотиды ДНК - единичные "буквы" генетического кода - в группах по четыре, а не по три, как это происходит во всех живых организмах. Всего в природе существует четыре "буквы" ДНК: аденин, гуанин, тимин и цитозин, которые считываются рибосомами, органеллами, отвечающими за синтез белков в группах по три буквы. Каждое сочетание трех "букв", называемое кодоном, отвечает какой-либо одной аминокислоте или означает конец процесса синтеза белка. Всего существует 64 таких кодона, которые природа сумела приспособить для синтеза белков из 22 различных аминокислот.
Группа Чина, "научив" рибосомы клеток E.coli считывать "буквы" в кодонах, состоящих из четырех "букв", создала таким образом дополнительно 256 комбинаций нуклеотидов, не отвечающих каким-либо природным аминокислотам. Эти новые кодоны могут быть искусственно поставлены в соответствие синтетическим аминокислотам, не встречающимся в природе и обладающими уникальными свойствами. Встраивание кодонов в существующие природные белковые молекулы позволит наделить их новыми полезными свойствами.
"Наша работа - это начало использования совершенно нового искусственного генетического кода, параллельно существующему природному", - сказал Чин в интервью. Команда Чина с помощью своей разработки сумела встроить две искусственные аминокислоты в белки E.coli. Как показали исследователи в своей работе, встроенные искусственные аминокислоты оказались способны взаимодействовать между собой, уже будучи внедренными в структуру белковой молекулы. Подобные связи между аминокислотами в белках многочисленны: они позволяют им удерживать свою трехмерную структуру, обуславливающую их уникальные функциональные свойства.
Однако связи между природными аминокислотами, называемые дисульфидными мостиками, весьма непрочны и легко разрушаются под воздействием повышенной температуры или агрессивной химической среды. Связи между искусственными аминокислотами Чина в белках, как оказалось намного прочнее, что может быть использовано в физиологически активных белковых молекулах, применяемых в фармацевтических препаратах. Такие молекулы могут использоваться для создания лекарств для перорального применения, поскольку они устойчивы к агрессивной среде желудка.
Синтетические белки с искусственными аминокислотами, которые синтезируются внутри клеток организмов, могут найти применение и в самих организмах, наделяя их новыми возможностями. Например, организмы, обладающие в своих клетках более устойчивыми белками, по сравнению с обычными, могут быть более устойчивыми к негативным воздействиям внешней среды.