Новая платформа для создания рибосом, способных «готовить новые блюда»

Исследователи в области синтетической биологии из Северо-Западного университета разработали систему, которая может быстро создавать бесклеточные рибосомы в пробирке, а затем отбирать рибосомы, способные выполнять определённую функцию.

Система, названная RISE (ribosome synthesis and evolution), — важный шаг к использованию рибосом за пределами их естественных возможностей. Ключевая особенность RISE — способность эволюционировать рибосомы без ограничений, накладываемых жизнеспособностью клетки. Результатом могут стать новые способы синтеза материалов (например, нейлона) или терапий, таких как новые антибиотики для борьбы с растущей устойчивостью к ним.

«Рибосомы обладают невероятной способностью как машина синтеза белка в клетке, — говорит руководитель исследования Майкл Джуэтт. — Но для синтеза белков, не встречающихся в природе, мы должны сконструировать и модифицировать рибосому для работы с ненатуральными субстратами. Разработка рибосом in vitro — важная часть этой системы».

Результаты будут опубликованы 28 февраля в журнале Nature Communications.

Рибосома подобна шеф-повару трансляции, «готовя» синтез разнообразных биополимеров (белков). Однако научить рибосомы «готовить новые блюда» — создавать биополимеры, новые для природы, — сложно, поскольку её изменения ограничены необходимостью поддержания жизни клетки.

Система RISE преодолевает эти ограничения. Создавая ДНК, кодирующую мутантные рибосомы, система производит сотни тысяч их вариантов за часы. С помощью магнитных шариков исследователи могут отбирать рибосомы с нужными функциями. Эта платформа закладывает основу для создания новых биополимеров, способных преобразовать общество, и потенциально может использоваться для производства новых материалов для защиты военных и полиции.

«Мы подтвердили метод RISE, отобрав из библиотеки вариантов высокоактивные рибосомы, устойчивые к антибиотику клиндамицину. Мы надеемся, что другие смогут использовать эту платформу для поиска рибосом, выполняющих новые функции», — отмечает Джуэтт.

В отдельной работе, недавно опубликованной в Nucleic Acids Research, команда определила, какие нуклеотиды в активном центре рибосомы можно изменить, не нарушив её работу. Протестировав все возможные однонуклеотидные мутации (180 штук), они с удивлением обнаружили, что 85% этих нуклеотидов обладают гибкостью и могут быть изменены.

«Это доказывает, что можно изменить почти каждый нуклеотид в активном центре и всё равно получить функциональную рибосому. Это очень вдохновляет для синтетической биологии», — говорит Джуэтт.

Вместе с ранее разработанными правилами для включения рибосомами новых, не встречающихся в природе мономеров, эти работы создают комплексную платформу для превращения рибосомы в машину, создающую новые виды терапевтических средств и материалов.

«Сейчас рибосома — это повар, который умеет готовить лишь определённые блюда. Мы хотим создать множество поваров, способных готовить самые разные кухни. Это огромный шаг вперёд к этому видению», — заключает Джуэтт.

Исследование является частью программы Multidisciplinary University Research Initiative Министерства обороны США, поддерживаемой Армейским научно-исследовательским управлением.