Бактерии научили производить цепочки «нестандартных» аминокислот

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.