Расширение генетического кода с помощью квадруплетных кодонов

Цель синтетической биологии — научиться расширять или модифицировать генетический код жизни на Земле для создания новых искусственных форм жизни. Это поможет понять эволюцию и логику естественной биологии, а также имеет практическое применение: клетки можно использовать как эффективные фабрики для производства полезных молекул, особенно белковых терапевтических средств, доля которых среди новых лекарств растёт. Клетки с расширенным генетическим кодом могли бы производить гораздо более разнообразный набор таких лекарств и упростить процесс их разработки и производства.

В исследовании, опубликованном в Nature Communications, учёные сделали значительный шаг к этой цели, разработав и продемонстрировав ключевые компоненты системы расширенного генетического кода.

«Мы дополнили инструментарий синтетической биологии, чтобы упростить исследования по расширению генетического кода», — говорит старший автор работы Ахмед Бадран, доктор философии, доцент кафедры химии в Scripps Research.

Естественный генетический код используется клетками для перевода информации из ДНК и РНК в аминокислотные строительные блоки белков. ДНК и РНК кодируют информацию с помощью «алфавита» из четырёх нуклеотидных «букв». Транспортные РНК (тРНК) декодируют эту информацию, распознавая три буквы за раз, переводя каждый трёхбуквенный «кодон» в одну аминокислоту. Эта система триплетных кодонов в принципе может кодировать 64 разные аминокислоты (4³), но в большинстве организмов обычно используется только 20.

Визуализируемая же квадруплетная система, основанная на четырёхбуквенных кодонах, могла бы кодировать 256 (4⁴) различных аминокислот. Большинство из них не существовали бы в природных белках, хотя некоторые могли бы быть вариациями природных аминокислот, позволяя создавать белки с более тонко настроенными характеристиками, например, для оптимизации их эффективности и безопасности как лекарств.

Основная сложность заключается в том, что система трансляции гена в белок комплексна, и множество её компонентов должны работать слаженно. Существующая в живых организмах система, вероятно, эволюционировала до нынешнего уровня точности и эффективности миллионы лет.

В новом исследовании Бадран и его команда использовали направленную эволюцию — эволюционную технику «выживания наиболее приспособленных» — чтобы создать небольшой набор тРНК, которые в принципе могли бы работать в квадруплетной системе. Учёные показали, что эти квадруплетные тРНК можно использовать для трансляции участков белка внутри бактериальных клеток. Им удалось транслировать шесть одинаковых квадруплетных кодонов подряд и даже транслировать четыре совершенно разных квадруплетных кодона в одном белке. Эффективность этой трансляции впервые оказалась близка к уровню, необходимому для функциональной квадруплетной системы.

Бадран подчёркивает, что хотя система квадруплетного кода всё ещё находится на ранней стадии разработки методов, она может быть очень полезна, особенно для прямого синтеза белков с «неканоническими» аминокислотами (ncAA), которые не встречаются в природных белках. Такие ncAA можно использовать для придания белкам новых биологических свойств, включая создание удобных и безопасных «ручек» на белке — например, для внесения химических модификаций, улучшающих терапевтические свойства белка, или для присоединения токсичной «боевой части» к противораковому препарату, нацеленному на опухоль.

«Теоретически можно запрограммировать последовательность ДНК, которая будет транслироваться в живой клетке в белок, содержащий сложный набор модификаций — модификаций, которые иначе было бы трудно или невозможно добавить», — говорит Бадран.

Исследование «Мультиплексное подавление четырёх квадруплетных кодонов с помощью направленной эволюции тРНК» также подготовили Эрика ДеБенедиктис и Гавриэла Карвер из Broad Institute, а также Кристина Чунг и Дитер Сёлль из Йельского университета.