Учёные создали синтетические белки, способные поддерживать жизнь

В прорывном достижении, которое может помочь учёным «строить» новые биологические системы, исследователи из Принстонского университета впервые создали искусственные белки, способные поддерживать рост живых клеток.

Команда создала генетические последовательности, ранее не встречавшиеся в природе, и показала, что они могут производить вещества, поддерживающие жизнь в клетках почти так же эффективно, как и белки естественного происхождения.

«То, что мы имеем здесь, — это молекулярные машины, которые вполне хорошо функционируют в живом организме, несмотря на то, что они были спроектированы с нуля и экспрессированы из искусственных генов», — сказал профессор химии Майкл Хехт, руководивший исследованием. — «Это говорит нам о том, что набор молекулярных деталей для жизни не обязательно должен ограничиваться частями — генами и белками, — которые уже существуют в природе».

Работа представляет собой значительный прогресс в синтетической биологии, где цель — создавать биологические компоненты и системы, не существующие в природе. Одна из целей этой области — разработка полностью искусственного генома.

«Наша работа предполагает, что создание искусственных геномов, способных поддерживать жизнь клеток, может быть достижимо», — отметил Хехт.

В отличие от большинства предыдущих работ в синтетической биологии, которые перестраивали природные компоненты, данное исследование показывает, что биологические функции могут обеспечиваться макромолекулами, спроектированными в лаборатории, а не заимствованными у природы.

Исследование, проведённое Хехтом с тремя бывшими студентами Принстона и постдоком, опубликовано 4 января в журнале Public Library of Science ONE.

Белки производятся из инструкций, закодированных в ДНК. Их идентичность определяется уникальной последовательностью из 20 аминокислот. Если белок состоит из 100 аминокислот, возможных последовательностей существует астрономически много. Учёные задались вопросом: почему в человеческом организме производится лишь около 100 000 различных белков? Особенные ли эти белки, или другие последовательности могли бы работать так же хорошо?

Группа Хехта создала искусственные белки, закодированные последовательностями, не встречающимися в природе. Они произвели около 1 миллиона аминокислотных последовательностей, спроектированных для сворачивания в стабильные трёхмерные структуры.

«Самое интригующее в нашей работе то, что информация, закодированная в этих искусственных генах, совершенно нова — она не происходит и не связана существенно с информацией, закодированной природными генами, и тем не менее конечный результат — живой, функциональный микроб», — сказал соавтор работы Майкл Фишер.

Затем команда вставила эти искусственные белки в различные мутантные штаммы бактерий, у которых были предварительно удалены определённые естественные гены, необходимые для выживания в условиях ограниченного питания. В этих суровых условиях мутантные штаммы бактерий погибали — если только не получали жизнеспособный новый белок из коллекции Хехта. Образование бактериальной колонии в этих условиях могло произойти только в том случае, если белок из коллекции обладал способностью поддерживать рост живых клеток.

Эксперименты показали, что несколько различных штаммов бактерий, которые должны были погибнуть, были спасены новыми белками, созданными в лаборатории.

«Эти искусственные белки не имеют отношения ни к одной известной биологической последовательности, но они поддерживали жизнь», — заключил Хехт.

«Это захватывающий результат, потому что он показывает, что неестественные белки могут поддерживать естественную систему, и что такие белки можно найти с относительно высокой частотой в библиотеке, разработанной только для структуры», — добавила соавтор Кара МакКинли.