Engineering van een tweede genetische code parallel aan de normale code

Zoom / Een cartoon van het proces dat de genetische code in DNA vertaalt in een eiwit.

Alle levende wezens op aarde gebruiken een kopie van dezelfde genetische code. Elke cel maakt eiwitten met dezelfde 20 aminozuren. Ribosomen, de eiwitmakende machinerie in cellen, lezen de genetische code van het boodschapper-RNA-molecuul om te beslissen welk aminozuur ze vervolgens in het specifieke eiwit dat ze bouwen, moeten stoppen.

Deze code is universeel, daarom kunnen de ribosomen in onze cellen een stukje viraal boodschapper-RNA lezen en er een functioneel viraal eiwit van maken. Er zijn echter nog tal van andere aminozuren. Hoewel het leven het over het algemeen niet gebruikt, hebben wetenschappers het in eiwitten verwerkt. Nu hebben onderzoekers een manier bedacht om de genetische code enorm uit te breiden, waardoor deze niet-biologische aminozuren op grote schaal kunnen worden ingebouwd. Ze bereikten dit door een tweede set van alles aan te zetten – eiwitten en RNA’s – die nodig zijn om de genetische code te vertalen.

apart systeem

Niet-canonieke aminozuren kunnen een aantal functies vervullen. Ze kunnen dienen als labels, zodat het specifieke eiwit van een onderzoeker gemakkelijk kan worden getraceerd in cellen. Ze kunnen helpen bij het reguleren van de eiwitfunctie, waardoor onderzoekers het op een specifieke tijd en plaats naar keuze kunnen activeren en deactiveren en vervolgens de uiteindelijke effecten kunnen volgen. Als genoeg van deze niet-canonieke aminozuren aan elkaar worden gebonden, zullen de resulterende eiwitten een geheel nieuwe klasse van biopolymeren vormen die functies kunnen vervullen die conventionele eiwitten niet kunnen – voor onderzoek, therapeutische of andere doeleinden.

READ  Drie uitgestorven zoogdieren gevonden in Wyoming die deel uitmaakten van de post-dinosaurusrevolutie

Het plaatsen van niet-canonieke aminozuren in eiwitten vereist manipulatie van de genetische code, waarvan het gebruik niet kan worden bepaald. Een optie is: De genetische code van een cel bewerken, waardoor het meeste intact blijft. De variant maakt gebruik van gemodificeerde kopieën van alle componenten van de genetische code: orthologe mRNA’s, orthologe ribosomen, orthologe enzymen die verantwoordelijk zijn voor het lezen van mRNA’s en het bouwen van eiwitten in ribosomen. Orthogonaal betekent hier dat dit mechanisme samenwerkt met maar niet interfereert met het normale ribosomale eiwit-makende mechanisme in de cel. Het leest en vertaalt alleen zijn eigen orthologe mRNA’s, geen normale cellijnen.

Deze orthogonale componenten zullen vreemd zijn, dus ze zijn niet nodig voor het functioneren van de cel. Ze kunnen dus anders worden ontworpen, georganiseerd en aangepast op elke manier die wetenschappers kunnen bedenken. Ze kunnen worden gebruikt om nieuwe polymeren te maken en licht te werpen op de mechanismen die betrokken zijn bij de normale cellulaire eiwitproductie. Dit is iets wat we niet kunnen doen met normale cellulaire componenten, omdat dat de cel zou doden.

orthogonaliteit verbeteren

Jason Chen, hoofd van het Centrum voor Chemische en Synthetische Biologie (CCSB) in Cambridge, VK, en hij maakte al deze orthogonale componenten. Maar het is niet erg effectief. In een artikel dat deze week is gepubliceerd in natuur chemie, beschrijft hoe ik het heb opgelost: met behulp van computationele algoritmen om de beste orthologe mRNA’s door orthologe ribosomen te ontwerpen en te optimaliseren. Niet alleen verbeterde de eiwitopbrengst drastisch, maar de veranderingen zorgden er ook voor dat orthologe ribosomen efficiënt functioneerden, zelfs wanneer normale ribosomen aanwezig waren.

READ  Ratelslangen gebruiken vocale trucs om menselijke oren te misleiden

“Ons begrip van de factoren die de eiwitopbrengst voor normale translatie bepalen is onvolledig… Slechts de helft van de waargenomen variantie in eiwitopbrengst kan worden verklaard door bekende parameters”, betreurt de inleiding van het werk. Zijn laboratorium heeft echter geleerd dat de initiatiestap, wanneer het ribosoom het boodschapper-RNA grijpt, een essentiële stap is. Ze wisten ook dat de structuur van mRNA belangrijk is. Dus begonnen ze het orthogonale mRNA te muteren om deze twee kanten te veranderen en selecteerden die mutaties die orthogonale ribosomen goed binden, maar normale ribosomen van lagere kwaliteit. Na honderden mutaties hebben ze drie verschillende orthologe mRNA’s geoptimaliseerd, die coderen voor drie verschillende eiwitten. Een ervan bevatte vier niet-canonieke aminozuren.

Vervolgens paste het laboratorium dezelfde methode toe om de orthologe enzymen te verbeteren, en ze produceerden een 33-voudige toename van de eiwitopbrengst; Het orthogonale systeem maakt nu dezelfde hoeveelheid eiwit aan als het normale cellulaire systeem. De cellen die in dit werk werden gebruikt, waren: coli-bacteriënMaar Dr. Chen gebruikte een orthogonaal systeem om niet-canonieke eiwitten te maken in gist, zoogdiercellen, wormen en fruitvliegen.

“We verwachten dat de mogelijkheden die voortvloeien uit de methoden om veel verschillende niet-canonieke aminozuren op te nemen, zullen toenemen naarmate het aantal niet-canonieke aminozuren dat kan worden opgenomen”, schrijven hij en zijn collega’s. Deze algoritmen die ze hebben ontwikkeld om efficiënt vertaalde orthologe mRNA’s te ontwerpen, zouden hen zeker moeten helpen om dit doel te bereiken.

natuur chemie 2021. DOI: 10.1038/s41557-021-00764-5

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *