Η φύση έχει μια καθορισμένη συνταγή για την παραγωγή πρωτεϊνών.

Τριπλέτες γραμμάτων DNA μεταφράζονται σε 20 μόρια που ονομάζονται αμινοξέα. Αυτά τα βασικά δομικά στοιχεία στη συνέχεια ενώνονται ποικιλοτρόπως στην ιλιγγιώδη σειρά πρωτεϊνών που αποτελούν όλα τα ζωντανά όντα. Οι πρωτεΐνες σχηματίζουν τους ιστούς του σώματος, τους αναζωογονούν όταν καταστραφούν και κατευθύνουν τις περίπλοκες διαδικασίες διατηρώντας τις εσωτερικές λειτουργίες του σώματός μας να λειτουργούν σαν καλά λαδωμένα μηχανήματα.

Η μελέτη της δομής και της δραστηριότητας των πρωτεϊνών μπορεί να ρίξει φως στις ασθένειες, να προωθήσει την ανάπτυξη φαρμάκων και να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πολύπλοκες βιολογικές διεργασίες, όπως αυτές που εργάζονται στον εγκέφαλο ή η γήρανση. Οι πρωτεΐνες γίνονται απαραίτητες και σε μη βιολογικά πλαίσια, όπως για παράδειγμα στην παραγωγή φιλικών προς το κλίμα βιοκαυσίμων.

Ωστόσο, με μόνο 20 μοριακά δομικά στοιχεία, η εξέλιξη ουσιαστικά έβαλε ένα όριο στο τι μπορούν να κάνουν οι πρωτεΐνες. Λοιπόν, τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να διευρύνουμε το λεξιλόγιο της φύσης;

Κατασκευάζοντας νέα αμινοξέα που δεν φαίνονται στη φύση και ενσωματώνοντάς τα σε ζωντανά κύτταρα, οι εξωτικές πρωτεΐνες θα μπορούσαν να κάνουν περισσότερα. Για παράδειγμα, η προσθήκη συνθετικών αμινοξέων σε φάρμακα που βασίζονται σε πρωτεΐνες - όπως αυτά για την ανοσοθεραπεία - θα μπορούσε να τροποποιήσει ελαφρώς τη δομή τους, ώστε να διαρκούν περισσότερο στο σώμα και είναι πιο αποτελεσματικές. Οι νέες πρωτεΐνες ανοίγουν επίσης την πόρτα σε νέες χημικές αντιδράσεις που μασούν πλαστικά ή πιο εύκολα αποικοδομήσιμα υλικά με διαφορετικές ιδιότητες.

Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα. Τα εξωτικά αμινοξέα δεν είναι πάντα συμβατά με τον μηχανισμό ενός κυττάρου.

Μια νέα μελέτη in Φύση, με επικεφαλής τον ειδικό στη συνθετική βιολογία Dr. Jason Chin στο Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας του Συμβουλίου Ιατρικής Έρευνας στο Κέιμπριτζ του Ηνωμένου Βασιλείου, έφερε το όνειρο λίγο πιο κοντά. Χρησιμοποιώντας μια νέα μοριακή οθόνη, βρήκαν και εισήγαγαν τέσσερα εξωτικά αμινοξέα σε μια πρωτεΐνη μέσα στα βακτηριακά κύτταρα. Ένα βιομηχανικό φαβορί για την παραγωγή ινσουλίνης και άλλων φαρμάκων που βασίζονται σε πρωτεΐνες, τα βακτήρια δέχτηκαν εύκολα τα εξωτικά δομικά στοιχεία ως δικά τους.

Όλα τα νέα συστατικά που προστέθηκαν είναι διαφορετικά από τα φυσικά του κυττάρου, που σημαίνει ότι οι προσθήκες δεν παρενέβαιναν στις κανονικές λειτουργίες του κυττάρου.

«Είναι μεγάλο επίτευγμα να μετατραπούν αυτές οι νέες κατηγορίες αμινοξέων σε πρωτεΐνες», δήλωσε ο Δρ Chang Liu στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. είπε Επιστήμη.

Ένα συνθετικό αδιέξοδο

Η προσθήκη εξωτικών αμινοξέων σε ένα ζωντανό ον είναι ένας εφιάλτης.

Φανταστείτε το κελί ως μια πόλη, με πολλές «περιοχές» να εκτελούν τις δικές τους λειτουργίες. Ο πυρήνας, που έχει το σχήμα του λάκκου ενός βερίκοκου, φιλοξενεί το γενετικό μας σχέδιο που είναι καταγεγραμμένο στο DNA. Έξω από τον πυρήνα, τα εργοστάσια παραγωγής πρωτεϊνών που ονομάζονται ριβοσώματα εξαφανίζονται. Εν τω μεταξύ, οι αγγελιοφόροι RNA βουίζουν μεταξύ των δύο σαν τρένα υψηλής ταχύτητας που μεταφέρουν γενετικές πληροφορίες για να μετατραπούν σε πρωτεΐνες.

Όπως το DNA, το RNA έχει τέσσερα μοριακά γράμματα. Κάθε συνδυασμός τριών γραμμάτων σχηματίζει μια «λέξη» που κωδικοποιεί ένα αμινοξύ. Το ριβόσωμα διαβάζει κάθε λέξη και καλεί το σχετικό αμινοξύ στο εργοστάσιο χρησιμοποιώντας μόρια RNA μεταφοράς (tRNA) για να τα πιάσει.

Τα μόρια tRNA είναι προσαρμοσμένα για να συλλέγουν συγκεκριμένα αμινοξέα με ένα είδος «κόλλας» πρωτεΐνης υψηλής ειδικής. Μόλις μεταφερθεί στο ριβόσωμα, το αμινοξύ αφαιρείται από το μόριο φορέα του και ράβεται σε μια χορδή αμινοξέων που τυλίγει σε περίπλοκα σχήματα πρωτεΐνης.

Σαφώς, η εξέλιξη έχει δημιουργήσει ένα εξελιγμένο σύστημα για την κατασκευή πρωτεϊνών. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η προσθήκη συνθετικών εξαρτημάτων δεν είναι απλή.

Πίσω στη δεκαετία του 1980, επιστήμονες βρήκε έναν τρόπο να συνδέσει συνθετικά αμινοξέα σε έναν φορέα μέσα σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα. Πιο πρόσφατα, το έκαναν συσσωματωμένος αφύσικα αμινοξέα μετατρέπονται σε πρωτεΐνες μέσα στα βακτηριακά κύτταρα καταλαμβάνοντας τα δικά τους εσωτερικά εργοστάσια χωρίς να επηρεάζουν τη φυσιολογική λειτουργία των κυττάρων.

Πέρα από τα βακτήρια, ο Chin και οι συνεργάτες του στο παρελθόν χακαρισμένο tRNA και την αντίστοιχη «κόλλα» της - που ονομάζεται συνθετάση tRNA - για να προσθέσει μια εξωτική πρωτεΐνη στα εγκεφαλικά κύτταρα του ποντικού.

Η επανασύνδεση του μηχανισμού κατασκευής πρωτεϊνών του κυττάρου, χωρίς να τον σπάσει, απαιτεί μια λεπτή ισορροπία. Το κύτταρο χρειάζεται τροποποιημένους φορείς tRNA για να αρπάξει νέα αμινοξέα και να τα σύρει στο ριβόσωμα. Το ριβόσωμα τότε πρέπει να αναγνωρίσει το συνθετικό αμινοξύ ως δικό του και να το συρράψει σε μια λειτουργική πρωτεΐνη. Εάν κάποιο από τα βήματα σκοντάψει, το σχεδιασμένο βιολογικό σύστημα αποτυγχάνει.

Επέκταση του Γενετικού Κώδικα

Η νέα μελέτη επικεντρώθηκε στο πρώτο βήμα - τη δημιουργία καλύτερων φορέων για εξωτικά αμινοξέα.

Η ομάδα πρώτα μετάλλαξε γονίδια για την πρωτεΐνη «κόλλα» και δημιούργησε εκατομμύρια πιθανές εναλλακτικές εκδόσεις. Κάθε μία από αυτές τις παραλλαγές θα μπορούσε ενδεχομένως να αρπάξει σε εξωτικά δομικά στοιχεία.

Για να περιορίσουν το πεδίο, στράφηκαν σε μόρια tRNA, τους φορείς των αμινοξέων. Κάθε φορέας tRNA επισημάνθηκε με ένα κομμάτι γενετικού κώδικα που προσκολλήθηκε σε μεταλλαγμένες πρωτεΐνες «κόλλας» σαν αγκίστρι ψαρέματος. Η προσπάθεια βρήκε οκτώ πολλά υποσχόμενα ζεύγη από εκατομμύρια πιθανές δομές. Μια άλλη οθόνη μηδενίστηκε σε μια ομάδα πρωτεϊνών «κόλλας» που θα μπορούσαν να αρπάξουν πολλαπλούς τύπους τεχνητών πρωτεϊνικών δομικών στοιχείων — συμπεριλαμβανομένων εκείνων που είναι πολύ διαφορετικοί από τους φυσικούς.

Στη συνέχεια, η ομάδα εισήγαγε γονίδια που κωδικοποιούν αυτές τις πρωτεΐνες Escherichia coli βακτηριακά κύτταρα, ένα από τα αγαπημένα για τη δοκιμή συνταγών συνθετικής βιολογίας.

Συνολικά, οκτώ πρωτεΐνες «κόλλας» φόρτωσαν με επιτυχία εξωτικά αμινοξέα στον φυσικό μηχανισμό παραγωγής πρωτεϊνών των βακτηρίων. Πολλά από τα συνθετικά δομικά στοιχεία είχαν παράξενες δομές ραχοκοκαλιάς που δεν ήταν γενικά συμβατές με τα φυσικά ριβοσώματα. Αλλά με τη βοήθεια κατασκευασμένου tRNA και πρωτεϊνών «κόλλας», τα ριβοσώματα ενσωμάτωσαν τέσσερα εξωτικά αμινοξέα σε νέες πρωτεΐνες.

Τα αποτελέσματα «επεκτείνουν το χημικό πεδίο του γενετικού κώδικα» για την κατασκευή νέων τύπων υλικών, εξήγησε η ομάδα στην εργασία τους.

Ένα ολόκληρο νέο κόσμο

Οι επιστήμονες έχουν ήδη βρει εκατοντάδες εξωτικά αμινοξέα. Τα μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης όπως το AlphaFold ή το RoseTTAFold, και οι παραλλαγές τους, είναι πιθανό να γεννηθούν ακόμη περισσότερο. Η εύρεση φορέων και πρωτεϊνών «κόλλας» που ταιριάζουν ήταν πάντα εμπόδιο.

Η νέα μελέτη καθιερώνει μια μέθοδο για να επιταχύνει την αναζήτηση νέων πρωτεϊνών σχεδιαστών με ασυνήθιστες ιδιότητες. Προς το παρόν, η μέθοδος μπορεί να ενσωματώσει μόνο τέσσερα συνθετικά αμινοξέα. Όμως οι επιστήμονες ήδη οραματίζονται τις χρήσεις τους.

Τα πρωτεϊνικά φάρμακα που παράγονται από αυτά τα εξωτικά αμινοξέα έχουν διαφορετικό σχήμα από τα αντίστοιχα φυσικά τους, προστατεύοντάς τα από την αποσύνθεση μέσα στο σώμα. Αυτό σημαίνει ότι διαρκούν περισσότερο και μειώνει την ανάγκη για πολλαπλές δόσεις. Ένα παρόμοιο σύστημα θα μπορούσε να παράγει νέα υλικά, όπως το βιοδιασπώμενο πλαστικό, το οποίο, παρόμοια με τις πρωτεΐνες, βασίζεται επίσης στη ραφή μεμονωμένων συστατικών μεταξύ τους.

Προς το παρόν, η τεχνολογία βασίζεται στην ανοχή του ριβοσώματος στα εξωτικά αμινοξέα — κάτι που μπορεί να είναι απρόβλεπτο. Στη συνέχεια, η ομάδα θέλει να τροποποιήσει το ίδιο το ριβόσωμα για να ανέχεται καλύτερα τα περίεργα αμινοξέα και τους φορείς τους. Ψάχνουν επίσης να δημιουργήσουν υλικά παρόμοια με πρωτεΐνες κατασκευασμένα εξ ολοκλήρου από συνθετικά αμινοξέα, τα οποία θα μπορούσαν να αυξήσουν τη λειτουργία των ζωντανών ιστών.

«Αν μπορούσατε να κωδικοποιήσετε το διευρυμένο σύνολο δομικών στοιχείων με τον ίδιο τρόπο που μπορούμε να κάνουμε τις πρωτεΐνες, τότε θα μπορούσαμε να μετατρέψουμε τα κύτταρα σε ζωντανά εργοστάσια για την κωδικοποιημένη σύνθεση πολυμερών για τα πάντα, από νέα φάρμακα μέχρι υλικά». είπε Chin σε παλαιότερη συνέντευξη. «Είναι ένα σούπερ συναρπαστικό πεδίο».

Image Credit: Εθνικό Ινστιτούτο Αλλεργίας και Λοιμωδών Νοσημάτων, Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2024/01/23/scientists-coax-bacteria-into-making-exotic-proteins-not-found-in-nature/