Ученые перекодировали геном для программируемых синтетических белков

Синтетические биологи из Йеля смогли переписать генетический код организма — создав новый геномно перекодированный организм (GRO) с одним стоп-кодоном — с помощью разработанной ими клеточной платформы, позволяющей производить новые классы синтетических белков. По словам исследователей, эти синтетические белки открывают перспективы бесчисленных медицинских и промышленных применений, полезных для общества и здоровья человека.

Создание знакового GRO под названием "Ochre", который полностью сжимает избыточные, или "вырожденные", кодоны в один кодон, описано в новом исследовании, опубликованном в журнале Nature. Кодон — это последовательность из трех нуклеотидов в ДНК или РНК, кодирующая определенную аминокислоту, которая служит биохимическим строительным блоком для белков.

"Это исследование позволяет нам задавать фундаментальные вопросы о податливости генетических кодов, — сказал Фаррен Айзекс, профессор молекулярной, клеточной биологии и биологии развития в Йельской школе медицины и биомедицинской инженерии на факультете искусств и наук Йеля, соавтор статьи. — Оно также демонстрирует возможность инженерии генетического кода для наделения белков многофункциональностью и открывает новую эру программируемых биопрепаратов и биоматериалов".

Это знаковое достижение основывается на исследовании команды 2013 года, опубликованном в Science, в котором описывалось создание первого GRO. В том исследовании ученые продемонстрировали новые решения для защиты генетически модифицированных организмов и для производства новых классов синтетических белков и биоматериалов с "неприродной", или созданной человеком, химией.

Ochre — это крупный шаг к созданию нередутантного генетического кода в E. coli, который идеально подходит для производства синтетических белков, содержащих несколько различных синтетических аминокислот.

Джесси Райнхарт, доцент кафедры клеточной и молекулярной физиологии Йельской школы медицины и соавтор исследования, назвал прорыв "глубокой работой по инженерии всего генома, основанной на более чем 1000 точных правках, масштаб которых на порядок больше, чем любое инженерное достижение, которое мы делали ранее".

"Это захватывающая новая платформенная технология, открывающая множество применений для биотехнологий как в академической сфере, так и в коммерческом секторе, — сказал Райнхарт. — Мы хотим углубить наши общие научные знания, но также хотим обеспечить промышленные применения, полезные для общества".

Кодон, последовательность из трех нуклеотидов в ДНК или РНК, действует как "инструкция" для синтеза белка, сообщая клетке, какую из 20 природных аминокислот добавить к растущей белковой цепи (или, в случае "стоп"-кодонов, сигнализируя о прекращении синтеза). В этом процессе, известном как трансляция, генетическая информация, переносимая в матричной РНК (mRNA) через генетический код, диктует не только порядок аминокислот, но и когда процесс должен начаться и остановиться.

Майкл Гром, постдокторант в области молекулярной, клеточной биологии и биологии развития в Йеле и первый автор исследования, сравнил кодоны с трехбуквенными словами в предложении генетического рецепта жизни. Внутри клетки, сказал он, есть рибосомы, которые действуют как 3D-принтеры, считывающие рецепт. Каждое слово требует одного "ингредиента" — аминокислоты из списка 20 природных аминокислот, составляющих белки.

"Многие из этих слов эквивалентны или синонимичны, — сказал Гром. — Мы поставили цель добавить больше ингредиентов для построения белков, поэтому мы взяли три этих слова для "стоп" и сделали их одним. Два слова были удалены, затем мы перепрограммировали клетку, чтобы они были "освобождены" для новых функций. Затем мы сконструировали клетку, которая распознавала слово, чтобы сказать что-то новое, представить новый ингредиент".

В частности, исследователи устранили два из трех стоп-кодонов, которые прекращают производство белка. Перекодированный геном переназначил четыре кодона для невырожденных функций, включая два перекодированных стоп-кодона, предназначенных для кодирования нестандартных, или неприродных, аминокислот в белок.

Помимо внедрения тысяч точных правок по всему геному, работа потребовала проектирования с помощью ИИ и перепроектирования основных факторов трансляции белков и РНК для создания штамма, способного добавить две нестандартные аминокислоты в свой рецептурный справочник.

Эти нестандартные аминокислоты наделяют белки множеством новых свойств, таких как программируемые биологические препараты со сниженной иммуногенностью (способностью вещества вызывать иммунный ответ в организме) или биоматериалы с повышенной проводимостью.

Результаты отражают годы работы по перекодировке двух лабораторий в Йельском институте системной биологии на Уэст-Кампусе. Сотрудничество между Райнхартом и Айзексом началось в 2010 году, когда они начали работать в соседних лабораториях. Айзекс давно интересуется инженерией геномов — подобно тому, как архитектор может планировать и вносить изменения в здание. Работа Райнхарта сосредоточена на белках — как они создаются и как можно подготовить почву для выполнения ими других действий.

"Мы поняли, что у нас есть взаимодополняющий опыт и что обе лаборатории привносят широкий набор знаний и возможностей", — сказал Райнхарт.

Айзекс взволнован тем, что он описывает как потенциально "прорывные" применения для программируемых белковых биопрепаратов, которые станут возможными благодаря новой платформе. Одно из таких применений включает инженерию белковых препаратов с синтетической химией для уменьшения частоты дозирования или нежелательных иммунных реакций.

Команда сообщила о таком применении, используя свой GRO первого поколения, в исследовании 2022 года. В том исследовании они закодировали нестандартные аминокислоты в белок, продемонстрировав более безопасный, управляемый подход для точной настройки периода полураспада белковых биопрепаратов.

Новая клетка Ochre расширяет эти возможности для использования в создании многофункциональных биологических препаратов. Айзекс и Райнхарт в настоящее время выступают в качестве советников Pearl Bio, биотехнологического стартапа Йеля, который лицензировал технологию для коммерциализации программируемых биопрепаратов.