Sciencemag.cz
Doporučujeme
Když se biochemici snaží konstruovat molekuly proteinového typu s novými funkcemi, nejraději by se neomezovali na 20 kanonických aminokyselin, ale používali i jiné stavební kameny. Ale jak na to, budeme-li provádět syntézu stejně jako v živých organismech, tedy podle kodonů RNA? (Poznámka: některé krátké peptidy si organismy vytvářejí přímou syntézou, nejsou kódovány v genomu.)
Vědci ze Scripps Research nyní navrhli nové paradigma pro snadné přidávání nekanonických aminokyselin do proteinů. Jejich přístup spočívá v použití čtyř nukleotidů RNA – namísto typických tří – jako kodonu ke kódování každé nové aminokyseliny.
Dosavadní přístup k použití dalších aminokyselin vycházel především z toho, že se nějak změní, přeprogramuje přiřazování kodonu konkrétní aminokyselině. Například kodon UAU by mohl být spojen s novou aminokyselinou. Genetický kód je degenerovaný v tom smyslu, že jedna aminokyselina může být kódována více triplety, například tyrosin vedle UAU také UAC, takže o tyrosin tím nepřijdeme. Jenže je tu problém – naučíme-li systém (buňku) podle UAU vytvářet novou aminokyselinu, pak současně v původním „přirozeném“ genomu musíme všude UAU zaměnit za UAC. Potřebujeme totiž zabránit začlenění nové aminokyseliny do množství „původních“ proteinů, kam nepatří. Musíme tedy vlastně rekódovat celý genom, což je obtížné. Navíc takové změny mohou ovlivnit i stabilitu genomu a životaschopnost organismu (buňky) v dalších generacích.
Hlavní autor nové studie Ahmed Badran ze Scripps Research proto navrhuje metodu, která by pouze začlenila vybranou nekanonickou aminokyselinu (aminokyseliny) do specifických míst v cílovém proteinu, aniž by narušila normální biologii buňky nebo vyžadovala úpravu celého genomu; konkrétně jde o kodon tRNA, který ještě nebyl přiřazena aminokyselině – složený ze 4 nukleotidů.
V několika situacích – například když se bakterie rychle přizpůsobují, aby odolávaly lékům – vytvořila evoluce čtyřnukleotidové kodony i přirozeně. Ve své nové práci proto vědci zkoumali, co způsobuje, že buňky používají kodon se čtyřmi nukleotidy namísto tří. Zjistili, že rozhodující je konkrétní složení sekvencí v blízkosti kodonu se čtyřmi nukleotidy – často používané tripletové kodony zlepšily způsob, jakým buňka mohla přečíst i kodon se čtyřmi nukleotidy a začlenit do něj nekanonickou aminokyselinu. Vědci pak testovali, zda mohou změnit sekvenci jednoho genu tak, aby obsahoval nový čtyřnukleotidový kodon, který by buňka správně použila.
Metoda fungovala: Když výzkumníci obklopili cílové místo třípísmennými, často používanými kodony a udržovali dostatečné množství tRNA obsahující čtyřnukleitdový kodon, buňka začlenila jakoukoli novou aminokyselinu, která byla přiřazena k odpovídající čtyřpísmenné sekvenci tRNA.
Výzkumný tým zopakoval experiment s 12 různými čtyřnukleotidovými kodony a poté použil tuto techniku k návrhu více než 100 nových cyklických peptidů (tzv. makrocyklů) s až třemi nekanonickými aminokyselinami v každém z nich.
„Tyto cyklické peptidy připomínají bioaktivní malé molekuly, které můžeme najít v přírodě,“ uvádí A. Badran. „Využitím programovatelnosti syntézy proteinů a rozmanitosti stavebních bloků dostupných tímto přístupem můžeme vytvořit nové malé molekuly, které budou mít zajímavé využití například při objevování nových léčiv.“ (poznámka: obecně v inženýrství – při syntéze různorodých proteinových molekul určených k čemukoliv)
Ve srovnání s předchozími přístupy k začlenění nekanonických aminokyselin do proteinů je nová metoda snadněji použitelná, protože zahrnuje změnu pouze jednoho (apod.) genu, nikoli celého genomu buňky. Kromě toho lze v jednom proteinu použít více nekanonických aminokyselin, čtyřnukleotidových kodonů existuje nepřeberně.
Alan Costello et al, Efficient genetic code expansion without host genome modifications, Nature Biotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41587-024-02385-y
Zdroj: The Scripps Research Institute / Phys.org
