Биологи «перекодировали» ДНК бактерий, научив их синтезировать белки с аминокислотами, которые не используются в природе.
©Ryan Kitko, Flickr
Почти все белки практически всех живых организмов образованы из одного из того же набора 20 аминокислот. Несколько лет назад биологи показали, что если внести нужные изменения в геном и системы синтеза бактериальной клетки, она сможет производить нужный белок с «неканонической» аминокислотой. Авторы новой статьи, опубликованной в журнале Science, использовали сразу три такие аминокислоты.
Вспомним, что состав белков кодируется в ДНК, где каждой аминокислоте соответствуют фрагменты из трех нуклеотидов (кодон). Кодонов больше, чем разных аминокислот, и они могут кодироваться разными вариантами триплетов: например, серину соответствует целых шесть. Кроме того, некоторые кодоны играют вспомогательную роль — в частности, обозначая место завершения последовательности.
В процессе считывания этот код превращается в матричную РНК, на основе которой рибосомы синтезируют аминокислотные цепочки белков. Для этого каждому кодону подбирается молекула транспортной РНК, несущая соответствующий «ключ» — кодон, комплементарный нужному — и связанную аминокислоту. Если не считать некоторых редких исключений, такая базовая схема универсальна для всех живых организмов.
Чтобы вмешаться в процесс белкового синтеза, Джейсону Чину (Jason Chin) и его соавторам пришлось внести изменения на всех этапах. Эксперименты проводили на бактериях кишечной палочки: ученые решили заменить «значение» двух из шести кодонов, кодирующих серин, а также один из стоп-кодонов на новые аминокислоты. Поэтому для начала они генетически модифицировали клетки, заменив в их ДНК все выбранные триплеты (УЦГ, УЦА и УАГ) на синонимичные. Таким образом, бактерии синтезировали нормальные белки без использования этих кодонов.
Далее ученые заменили гены транспортных РНК, которые распознавали кодоны УЦГ и УЦА, на новые, которые кодировали тРНК, несущие новые аминокислоты вместо обычного серина. Также был модифицирован белок, распознающий стоп-кодон УАГ. Это позволило вносить такие кодоны в ДНК бактерии, в тех местах, где в белок необходимо внедрить новую нестандартную аминокислоту — одну из трех, на выбор.
Проводя эксперименты в лаборатории, ученые использовали таких ГМ-бактерий для синтеза сложных молекул, в том числе необычных циклических соединений из трех «неканонических» аминокислот, которые могут стать перспективными антибиотиками или противоопухолевыми препаратами. В любом случае работа открыла путь к превращению живых клеток в контролируемые фабрики для сложного химического синтеза и создания новых полезных веществ.
