Обнаружен новый генетический код у архей, открывающий возможности для биоинженерии

Генетический код — это рецепт жизни, предоставляющий инструкции для создания белков, обычно с использованием всего 20 аминокислот. Однако у некоторых групп микробов есть расширенный генетический код, в который встроена одна или две дополнительные аминокислоты. Это открытие уже используется в биоинженерии.

В статье, опубликованной в Science, Вероника Кивенсон, работая с исследователем IGI Джилл Бэнфилд, Алланной Шепартц из UC Berkeley и коллабораторами из CGEM, Института Пастера и других учреждений, идентифицировала новый генетический код, присутствующий у нескольких видов микробов — архей.

Эти находки могут помочь учёным сократить выбросы парниковых газов, а также могут быть использованы химиками для создания новых белков и полезных полимероподобных материалов.

Гены состоят из кодонов — последовательностей из трёх букв ДНК или РНК, которые определяют аминокислоту или стоп-сигнал во время синтеза белка.

Расширенные генетические коды обычно перепрофилируют один из канонических стоп-кодонов, чтобы вместо этого запустить включение необычной аминокислоты. Ранее были редкие примеры у архей, когда стоп-кодон используется для добавления аминокислоты пирролизина.

Но до сих пор это явление было известно только для ограниченного числа конкретных белков в конкретных ветвях древа жизни. В новой работе исследователи идентифицировали несколько групп архей, которые всегда читают рассматриваемый стоп-кодон как сигнал для пирролизина.

"Расширенный генетический код — это тот, в котором ДНК читается иначе, чем ожидается. До сих пор у архей был описан только один генетический код, но эта статья сообщает о новом. Конкретный стоп-кодон теперь повсеместно читается как пирролизин", — говорит Бэнфилд. "Только поняв код, мы можем понять эти организмы и то, что они могут делать".

Этот новый расширенный код возникал много раз в разных местах генетического древа архей, что бросает вызов традиционному представлению о том, что изменения генетического кода — редкие события.

Понимание и влияние на циклы метана

Многие из архейных белков, использующих пирролизин, участвуют в цикле метана — парникового газа, в 27 раз более мощного, чем углекислый газ, и являющегося основным фактором глобального потепления. Фактически, все археи с расширенным генетическим кодом известны как продуценты метана.

Эволюция этого альтернативного генетического кода была вызвана метаболической потребностью в ферментах, содержащих пирролизин, которые позволяют потреблять соединения, называемые метиламинами, широко распространённые в окружающей среде. Метильная часть этих соединений преобразуется в метан.

До открытий команды генетический код этих микробов интерпретировался неверно: учёные не видели сотен белков, содержащих пирролизин.

Правильная идентификация этого кода теперь позволяет лучше понять роль этих организмов в циклах метана и выбросах парниковых газов.

Создание новых белков для медицины и не только

Расширение генетического кода широко используется в фундаментальных научных исследованиях и биоинженерии. Впервые его применили для создания новых белков почти 25 лет назад тогдашний профессор UC Berkeley Питер Шульц.

Шульц смог перепрограммировать стоп-кодон для введения аминокислот, которые естественным образом не встречаются в клетках, для создания индивидуальных белков.

Микробы с расширенными кодами можно выращивать в виде чистых культур, или компоненты их геномов можно напрямую встраивать в бактерии E. coli, дрожжи или человеческие клетки, превращая их в фабрики по производству белков.

На основе исследований Шульца в белки с помощью расширения генетического кода теперь встроены сотни различных аминокислот, не встречающихся в природе. Эти белки используются в исследованиях и промышленности для создания антительных препаратов и иммунотерапий.

Что предлагает новый код

Команда лаборатории Бэнфилд задалась вопросом, можно ли их находки использовать для биоинженерии, и обратилась к химику и синтетическому биологу из UC Berkeley Алланне Шепартц.

Шепартц и её команда протестировали системы пирролизина, выделенные из восьми различных групп архей, внедрив их в бактерии E. coli.

Эти E. coli были запрограммированы на производство флуоресцентного белка с рассматриваемым стоп-кодоном в середине белковой последовательности. Без системы пирролизина белок был бы сделан лишь наполовину и не мог бы флуоресцировать. Но все системы пирролизина сработали, как и предсказывалось, интерпретируя кодон как инструкцию для аминокислоты, а не как стоп-сигнал, и заставляя бактерии светиться.

"Большая проблема в том, что расширение генетического кода не всегда предсказуемо", — говорит Шепартц. "Успех текущей технологии варьируется в зависимости от контекста последовательности РНК, штамма микроба и/или структуры новой для природы аминокислоты. Очень трудно предсказать успех, поэтому требуется много экспериментов для оптимизации системы, чтобы обеспечить высокий выход и чистоту. Организмы, идентифицированные в этой работе, по-видимому, нашли естественное решение этой проблемы. Это удивительно и ещё один фантастический пример того, как биология скрывает секреты, движущие инновации в биотехнологиях".