Бактерии могут использовать придуманные человеком белки

Белки — группа органических соединений, количество членов которой пока неизвестно. Ясно только, что их очень много. Сейчас международный Protein Data Bank содержит информацию о 120 тысячах разных белков, и их количество продолжает расти. В этом нет ничего удивительного, если вспомнить, что 22 протеиногенные аминокислоты в молекуле, состоящей всего из сотни таких «кирпичиков» (а это очень небольшой белок), могут быть расположены примерно в 10¹³⁰ различных сочетаниях. Добавим к этому возможные «развилки» во вторичной, третичной и четвертичной структурах — и получим необъятное море. Можно думать, что для построения всех возможных соединений, хотя бы по одной молекуле, не хватит вещества Вселенной, а может быть, белков больше, чем атомов в ней. Ясно только, что живая природа использует не все это многообразие, но лишь очень небольшую часть.

А что будет, если заставить природный объект производить и использовать белки, в природе не встречающиеся? Этим вопросом задался биохимик Принстонского университета Майкл Хехт (Michael Hecht), одной из областей научных интересов которого является синтетическая биология — создание жизни с нуля методами современной генной инженерии.

Для эксперимента он выбрал молекулу в форме четырехспирального пучка (four-helix bundle), напоминающую четырехпалую кисть с плотно сжатыми пальцами. Чтобы получить такую структуру, Хехт особым образом расположил в белковой цепочке случайно выбранные гидрофобные и гидрофильные аминокислоты. Делал он это простым подбором, повторяя процедуру раз за разом, пока не получил желаемую «конструкцию». Такая концепция дала Хехту возможность получить 1,5×10⁶ вариантов возможных псевдослучайных белковых молекул.

Для полученных белков синтезировали кодирующие их молекулы ДНК. Чтобы проверить биологическую функциональность новых белков, ДНК ввели бактериям E. coli, у которых отсутствовал один из генов и, следовательно, кодируемый им белок. В каждом случае — всего изъятию по очереди подвергались 80 генов — удаленный фрагмент генома отвечал за синтез жизненно важного фермента (например, фосфосеринфосфатазы, участвующей в синтезе аминокислоты серина, или энтерохелинэстеразы, отвечающей в бактериальной клетке за ассимиляцию железа). Цель эксперимента состояла в том, чтобы проверить, будет ли введенный псевдослучайный белок участвовать в жизни бактерии вместо удаленного.

В большинстве случаев этого предсказуемо не происходило. «Приобретение» оказывалось бесполезным, и бактерия умирала. Но для четырех из восьмидесяти генов по крайней мере один новый белок (а в одном случае — несколько сотен белков) оказался адекватной заменой. Точнее, почти заменой: ни один из них не становился катализатором тех же реакций взамен «ушедшего». Вместо этого они повышали экспрессию генов других, родственных ферментов со смешанной активностью, чтобы те могли взять на себя роль отсутствующего белка.

В последнем эксперименте 2017 года Хехт обнаружил по крайней мере один новый белок, который действует как фермент, катализируя химическую реакцию, необходимую для получения аминокислоты серина. Об этом химик из Принстона рассказал на прошедшей 24–28 апреля в Месе (Аризона) Научной конференции по астробиологии. Жизнь, даже если она исключительно белковая, может оказаться разнообразнее, чем мы думаем.

Сделанное открытие, безусловно, расширяет инструментарий специалистов по синтетической биологии. Главная проблема, которая встает в связи с этим, — предсказание функций синтетических белков в организме. Хехт действовал, в сущности, вслепую, просто перебирая варианты. Но для науки наших дней это слишком расточительно.