ธรรมชาติมีสูตรสำเร็จในการสร้างโปรตีน

ตัวอักษร DNA แฝดสามแปลเป็น 20 โมเลกุลที่เรียกว่ากรดอะมิโน โครงสร้างพื้นฐานเหล่านี้จะถูกนำมาต่อเข้าด้วยกันจนกลายเป็นโปรตีนที่น่าเวียนหัวซึ่งประกอบเป็นสิ่งมีชีวิตทั้งหมด โปรตีนสร้างเนื้อเยื่อของร่างกาย ฟื้นฟูเนื้อเยื่อเมื่อได้รับความเสียหาย และควบคุมกระบวนการที่ซับซ้อน ทำให้การทำงานภายในร่างกายของเราทำงานเหมือนเครื่องจักรที่ทาน้ำมันอย่างดี

การศึกษาโครงสร้างและกิจกรรมของโปรตีนสามารถให้ความกระจ่างเกี่ยวกับโรค ขับเคลื่อนการพัฒนายา และช่วยให้เราเข้าใจกระบวนการทางชีวภาพที่ซับซ้อน เช่น กระบวนการทำงานในสมองหรือความชรา โปรตีนกำลังกลายเป็นสิ่งจำเป็นในบริบทที่ไม่ใช่ทางชีวภาพเช่นกัน เช่น ในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพที่เป็นมิตรต่อสภาพภูมิอากาศ

เนื่องจากมีโครงสร้างโมเลกุลเพียง 20 โครงสร้าง วิวัฒนาการจึงจำกัดสิ่งที่โปรตีนสามารถทำได้ แล้วถ้าเราสามารถขยายคำศัพท์ของธรรมชาติล่ะ?

ด้วยวิศวกรรมกรดอะมิโนชนิดใหม่ที่ไม่พบในธรรมชาติและรวมเข้าไปในเซลล์ที่มีชีวิต โปรตีนจากต่างประเทศจึงสามารถทำอะไรได้มากกว่านั้น ตัวอย่างเช่น การเติมกรดอะมิโนสังเคราะห์ลงในยาที่ใช้โปรตีน เช่น ยาภูมิคุ้มกันบำบัด อาจปรับเปลี่ยนโครงสร้างเล็กน้อยเพื่อให้อยู่ในร่างกายได้นานขึ้นและ มีประสิทธิภาพมากขึ้น. โปรตีนชนิดใหม่ยังเปิดประตูสู่ปฏิกิริยาเคมีใหม่ๆ ที่จะเคี้ยวพลาสติกหรือวัสดุที่ย่อยสลายได้ง่ายกว่าด้วยคุณสมบัติที่แตกต่างกัน

แต่มีปัญหาเกิดขึ้น กรดอะมิโนที่แปลกใหม่ไม่สามารถเข้ากันได้กับกลไกของเซลล์เสมอไป

การศึกษาใหม่ in ธรรมชาตินำโดยผู้เชี่ยวชาญด้านชีววิทยาสังเคราะห์ ดร. เจสัน ชิน จากห้องปฏิบัติการชีววิทยาโมเลกุลของสภาวิจัยทางการแพทย์ในเมืองเคมบริดจ์ ประเทศอังกฤษ ช่วยให้ความฝันเข้าใกล้ยิ่งขึ้นอีกเล็กน้อย โดยใช้หน้าจอโมเลกุลที่พัฒนาขึ้นใหม่ พวกเขาพบและใส่กรดอะมิโนที่แปลกใหม่สี่ตัวเข้าไปในโปรตีนภายในเซลล์แบคทีเรีย แบคทีเรียเป็นที่ชื่นชอบในอุตสาหกรรมในการปั่นอินซูลินและยาที่ใช้โปรตีนอื่นๆ แบคทีเรียเหล่านี้ยอมรับโครงสร้างที่แปลกใหม่ว่าเป็นของตัวเองทันที

ส่วนประกอบที่เพิ่มใหม่ทั้งหมดแตกต่างจากส่วนประกอบตามธรรมชาติของเซลล์ ซึ่งหมายความว่าส่วนประกอบที่เพิ่มเข้ามานั้นไม่รบกวนการทำงานปกติของเซลล์

“เป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ในการนำกรดอะมิโนประเภทใหม่เหล่านี้ไปเป็นโปรตีน” ดร. ชาง หลิว จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เออร์ไวน์ ซึ่งไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาวิจัยนี้ บอก วิทยาศาสตร์.

การหยุดชะงักแบบสังเคราะห์

การเพิ่มกรดอะมิโนที่แปลกใหม่เข้าไปในสิ่งมีชีวิตถือเป็นฝันร้าย

ลองนึกภาพเซลล์เป็นเมืองที่มี "เขต" หลายแห่งทำหน้าที่ของตัวเอง นิวเคลียสที่มีรูปร่างเหมือนหลุมแอปริคอท เป็นที่ตั้งของพิมพ์เขียวทางพันธุกรรมของเราที่บันทึกไว้ใน DNA ภายนอกนิวเคลียส โรงงานสร้างโปรตีนที่เรียกว่าไรโบโซมได้เลิกกิจการไป ในขณะเดียวกัน ผู้ส่งสาร RNA ก็ส่งเสียงฮือฮาระหว่างทั้งสองเหมือนรถไฟความเร็วสูงที่ส่งข้อมูลทางพันธุกรรมเพื่อเปลี่ยนเป็นโปรตีน

เช่นเดียวกับ DNA RNA มีตัวอักษรโมเลกุลสี่ตัว การรวมกันสามตัวอักษรแต่ละตัวก่อให้เกิด "คำ" ที่เข้ารหัสกรดอะมิโน ไรโบโซมจะอ่านแต่ละคำและเรียกกรดอะมิโนที่เกี่ยวข้องมาที่โรงงานโดยใช้โมเลกุลถ่ายโอน RNA (tRNA) เพื่อจับเข้าไป

โมเลกุล tRNA ได้รับการออกแบบมาเพื่อรับกรดอะมิโนเฉพาะที่มี "กาว" โปรตีนที่มีความจำเพาะสูง เมื่อขนส่งเข้าไปในไรโบโซมแล้ว กรดอะมิโนจะถูกดึงออกจากโมเลกุลพาหะของมัน และเย็บเข้ากับสายกรดอะมิโนที่ขดตัวเป็นรูปทรงโปรตีนที่ซับซ้อน

เห็นได้ชัดเจนว่าวิวัฒนาการได้สร้างระบบที่ซับซ้อนสำหรับการผลิตโปรตีน ไม่น่าแปลกใจที่การเพิ่มส่วนประกอบสังเคราะห์นั้นไม่ใช่เรื่องตรงไปตรงมา

ย้อนกลับไปในปี 1980 นักวิทยาศาสตร์ พบวิธีแนบกรดอะมิโนสังเคราะห์เข้ากับตัวพาภายในหลอดทดลอง ไม่นานมานี้พวกเขาก็ได้ นิติบุคคลที่จัดตั้งขึ้น กรดอะมิโนผิดธรรมชาติไปเป็นโปรตีนภายในเซลล์แบคทีเรียโดยการจี้โรงงานภายในตัวเองโดยไม่กระทบต่อการทำงานของเซลล์ปกติ

นอกเหนือไปจากแบคทีเรียชินและเพื่อนร่วมงานก่อนหน้านี้ tRNA ที่ถูกแฮ็ก และ "กาว" ที่สอดคล้องกันซึ่งเรียกว่า tRNA synthetase เพื่อเพิ่มโปรตีนที่แปลกใหม่เข้าไปในเซลล์สมองของหนู

การเดินสายไฟใหม่ให้กับกลไกการสร้างโปรตีนของเซลล์โดยไม่ทำลายมัน ต้องใช้ความสมดุลที่ละเอียดอ่อน เซลล์ต้องการตัวพา tRNA ที่ได้รับการดัดแปลงเพื่อจับกรดอะมิโนใหม่และลากไปยังไรโบโซม ไรโบโซมจะต้องรับรู้ถึงกรดอะมิโนสังเคราะห์เป็นของตัวเองและต่อให้เป็นโปรตีนที่ใช้งานได้ หากขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่งสะดุด ระบบชีวภาพเชิงวิศวกรรมจะล้มเหลว

การขยายรหัสพันธุกรรม

การศึกษาครั้งใหม่มุ่งเน้นไปที่ขั้นตอนแรกคือการออกแบบวิศวกรรมพาหะที่ดีขึ้นสำหรับกรดอะมิโนจากต่างประเทศ

ทีมงานได้กลายพันธุ์ยีนของโปรตีน "กาว" เป็นครั้งแรก และสร้างยีนทางเลือกที่เป็นไปได้หลายล้านตัว แต่ละรูปแบบเหล่านี้สามารถคว้าเข้าสู่กลุ่มอาคารที่แปลกใหม่ได้

เพื่อจำกัดขอบเขตข้อมูลให้แคบลง พวกเขาหันไปหาโมเลกุล tRNA ซึ่งเป็นพาหะของกรดอะมิโน ตัวพา tRNA แต่ละตัวจะถูกติดแท็กด้วยรหัสพันธุกรรมเล็กน้อยซึ่งติดอยู่กับโปรตีน "กาว" ที่กลายพันธุ์ เช่น เบ็ดตกปลา ความพยายามดังกล่าวพบคู่ที่มีแนวโน้มดี 8 คู่จากโครงสร้างที่มีศักยภาพนับล้าน อีกหน้าจอหนึ่งมุ่งเน้นไปที่กลุ่มของโปรตีน "กาว" ที่สามารถจับกับโปรตีนเทียมหลายประเภท รวมถึงโปรตีนที่แตกต่างจากโปรตีนธรรมชาติอย่างมาก

จากนั้นทีมงานได้ใส่ยีนที่เข้ารหัสโปรตีนเหล่านี้เข้าไป เชื้อ Escherichia coli เซลล์แบคทีเรียซึ่งเป็นที่ชื่นชอบสำหรับการทดสอบสูตรทางชีววิทยาสังเคราะห์

โดยรวมแล้ว โปรตีน "กาว" แปดตัวสามารถบรรจุกรดอะมิโนแปลกใหม่ลงในกลไกการสร้างโปรตีนตามธรรมชาติของแบคทีเรียได้สำเร็จ โครงสร้างสังเคราะห์หลายชิ้นมีโครงสร้างกระดูกสันหลังที่แปลก ซึ่งโดยทั่วไปไม่เข้ากันกับไรโบโซมธรรมชาติ แต่ด้วยความช่วยเหลือของโปรตีน tRNA และโปรตีน "กาว" ที่ได้รับการออกแบบ ไรโบโซมจึงรวมกรดอะมิโนที่แปลกใหม่สี่ชนิดเข้าไว้ในโปรตีนใหม่

ผลลัพธ์ "ขยายขอบเขตทางเคมีของรหัสพันธุกรรม" สำหรับการผลิตวัสดุประเภทใหม่ ทีมงานอธิบายไว้ในรายงานของพวกเขา

โลกใหม่

นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบกรดอะมิโนแปลกใหม่หลายร้อยชนิดแล้ว โมเดล AI เช่น AlphaFold หรือ RoseTTAFold และรูปแบบต่างๆ มีแนวโน้มที่จะวางไข่มากยิ่งขึ้น การค้นหาพาหะและโปรตีน "กาว" ที่เข้ากันถือเป็นอุปสรรค์เสมอมา

การศึกษาครั้งใหม่นี้ได้กำหนดวิธีการเร่งการค้นหาโปรตีนจากนักออกแบบใหม่ที่มีคุณสมบัติผิดปกติ ในตอนนี้ วิธีการนี้สามารถรวมกรดอะมิโนสังเคราะห์ได้เพียงสี่ตัวเท่านั้น แต่นักวิทยาศาสตร์กำลังจินตนาการถึงการใช้งานสำหรับพวกมันอยู่แล้ว

ยาโปรตีนที่ทำจากกรดอะมิโนแปลกใหม่เหล่านี้มีรูปร่างแตกต่างไปจากกรดอะมิโนตามธรรมชาติ ช่วยปกป้องพวกมันจากการเสื่อมสลายภายในร่างกาย ซึ่งหมายความว่าจะอยู่ได้นานกว่า และลดความจำเป็นในการรับประทานหลายครั้ง ระบบที่คล้ายกันสามารถผลิตวัสดุใหม่ๆ เช่น พลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ซึ่งคล้ายกับโปรตีน ที่ต้องอาศัยการเย็บส่วนประกอบแต่ละส่วนเข้าด้วยกัน

ในปัจจุบัน เทคโนโลยีนี้อาศัยความทนทานของไรโบโซมต่อกรดอะมิโนจากต่างประเทศ ซึ่งอาจคาดเดาไม่ได้ ต่อไป ทีมงานต้องการปรับเปลี่ยนไรโบโซมให้ทนต่อกรดอะมิโนแปลก ๆ และพาหะของพวกมันได้ดีขึ้น พวกเขายังมองหาการสร้างวัสดุคล้ายโปรตีนที่ทำจากกรดอะมิโนสังเคราะห์อย่างสมบูรณ์ ซึ่งสามารถเพิ่มการทำงานของเนื้อเยื่อที่มีชีวิตได้

“หากคุณสามารถเข้ารหัสชุดโครงสร้างที่ขยายออกไปในลักษณะเดียวกับที่เราสามารถสร้างโปรตีนได้ เราก็สามารถเปลี่ยนเซลล์ให้เป็นโรงงานที่มีชีวิตสำหรับการสังเคราะห์โพลีเมอร์ที่เข้ารหัสสำหรับทุกสิ่งตั้งแต่ยาใหม่ไปจนถึงวัสดุ” กล่าวว่า ชินในการสัมภาษณ์ก่อนหน้านี้ “เป็นสนามที่น่าตื่นเต้นมาก”

เครดิตภาพ: สถาบันโรคภูมิแพ้และโรคติดเชื้อแห่งชาติ สถาบันสุขภาพแห่งชาติ

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://singularityhub.com/2024/01/23/scientists-coax-bacteria-into-making-exotic-proteins-not-found-in-nature/