В центре фармацевтической биотехнологии университета штата Иллинойс в Чикаго впервые создана синтетическая рибосома, работающая в живой клетке. Долгое время такая процедура считалась находящейся за пределами наших познаний и технических возможностей. Сегодня она стала новой страницей в истории развития биотехнологий.
В середине девятнадцатого века бременский корреспондент Фридрих Энгельс описал жизнь как способ существования белковых тел, постоянно обменивающихся с окружающей средой. Несмотря на спорную формулировку, в этом определении отражены главные черты наших организмов и других живых существ: белковая природа и постоянная необходимость в материале для эффективного биосинтеза протеинов.
Молекулярная и клеточная биология – сравнительно молодые отрасли науки, но именно с ними связаны прорывные разработки в области биотехнологии за последние годы. Проект «геном человека» помог выработать методики быстрого секвенирования и компьютерного анализа нуклеотидных последовательностей. Генетики узнали язык ДНК, научились читать и даже корректировать план внутриклеточного синтеза белка, но работа с кодом – лишь начало.
Компьютерная модель рибосомы (изображение: rna.ucsc.edu).
Управлять самим биосинтезом протеинов можно лишь в том случае, когда от понимания шаблонов по их выпуску мы перейдём к воссозданию всех стадий самого процесса производства. Поэтому детальное изучение механизмов трансляции белка и создание рибосом с нуля представляет сейчас ключевой интерес.
Рибосомы – главная внутриклеточная фабрика белка. Структура этих органоидов в общих чертах была известна давно, однако никто не знал, как можно заменить их молекулярной машиной. Создать специализированную рибосому с нуля для производства экзотических полипептидов – и вовсе казалось задачей отдалённого будущего. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц, имеющих различную массу. Для синтеза белка обе субъединицы объединяются и скользят вдоль матричной РНК, выполняя сборку полипептида по записанной на ней программе.
В ролике ниже мРНК представлена жёлтой нитью. Она выделяется через поры ядра в цитоплазму клетки. Там к ней сначала присоединяется малая субъединица рибосомы (светло-синяя), а затем – большая (фиолетовая). К образовавшемуся комплексу поступают молекулы аминоацил-тРНК (зелёные) поставляющие разные аминокислоты для синтеза белка. Вскоре от рибосомы отделяется красная нить – синтезированный полипептид.
Искусственная рибосома, получившая название Ribo-T, устроена немного иначе. Если бы её сделали также состоящей из двух частей, то синтетические субъединицы смогли бы перемещаться по матриксу эндотелия и вступать в конкурентные отношения с естественными, блокируя их. В итоге клетка просто погибла бы, утратив способность синтезировать белки.
Поэтому авторы исследования решили заранее объединить субъединицы искусственной рибосомы, оставив между ними пространство, достаточное для скольжения матричной РНК. Такая иммобилизованная структура демонстрирует менее впечатляющие результаты по скорости, но главное – она работает внутри живой клетки E.coli. Бактерии выживают и продолжают синтезировать заданный белок даже после замены всех исходных рибосом синтетическими.
«Скорость биосинтеза белка на Ribo-T получается примерно вдвое ниже, чем у естественных рибосом, но структура последних совершенствовалась на протяжении миллиардов лет эволюции, а нашей разработке всего год», – комментирует соавтор исследования Александр Мэнкин (Alexander Mankin).
Структура искусственной рибосомы (изображение: Nature / Orelle, et al.).
С начала восьмидесятых годов прошлого века для промышленного синтеза инсулина, соматотропина, интерферонов и других сложных белков используются бактерии (преимущественно E. Coli) с модифицированным геномом. При помощи искусственной рибосомы авторы рассчитывают изготавливать любые белки ещё проще.
Пока каждая Ribo-T способна синтезировать только протеины определённого класса, но для уровня доказательства концепции этого более чем достаточно. Следующим этапом развития биотехнологий будет создание универсальной синтетической рибосомы, способной выполнять сборку любых белков на заказ. Это могут быть компоненты с любой биологической активностью – не содержащие возбудителя безопасные вакцины, пептидные гормоны, компоненты селективных лекарств, новых косметических средств и пищевых продуктов.
«В своей работе авторы преодолели основное препятствие для создания полностью синтетических рибосом с заданными свойствами, – отмечает научный сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории Карисса Санбонмацу (Karissa Sanbonmatsu), – они заложили основу для драматических изменений».
Схожую оценку даёт и биолог Йельского университета Фаррен Айзекс (Farren Isaacs): «Это исследование станет ключом для производства совершенно новых классов экзотических протеинов», – говорит он в интервью изданию The Verge.
Образование связи между субъединицами в синтетической рибосоме (изображение: nature.com).
Год назад в научно-исследовательском институте Скриппса (TSRI) был создан новый генетический алфавит с парой дополнительных кодирующих молекул, не встречающихся в природе. Теперь его можно опробовать на искусственной рибосоме.
Получаемые до сегодняшнего дня рекомбинантные белки были полностью идентичны образующимся естественным путём. Они всегда содержали остатки стандартного набора из двадцати или менее L-альфа-аминокислот. Сочетая дополненный генетический код с возможностями искусственных рибосом, теоретически можно запустить биосинтез 172 аминокислот и создавать в промышленных масштабах абсолютно другие белки.
Искусственная рибосома (рисунок из пресс-релиза Protein synthesis by ribosomes with tethered subunits – ВМ.)
Как и любая научная разработка, искусственные рибосомы могут стать технологией двойного назначения. Если решить задачу их доставки в клетки живого организма, то Ribo-T можно будет использовать для лечения отравлений рицином. Этот белковый яд не имеет специфических антидотов. Он разобщает субъединицы рибосом, блокируя биосинтез белка. Искусственная рибосома уже сейчас устойчива к воздействию рицина, поскольку её субъединицы изначально связаны между собой.
С другой стороны, с помощью Ribo-T могут быть синтезированы новые токсины – абсолютно неизвестные потенциальному противнику и гораздо более подходящие для диверсий, чем рицин и другие природные яды.
Андрей Васильков, Компьютерра
Статья Orelle et al. Protein synthesis by ribosomes with tethered subunits опубликована в журнале Nature.
Похожая новость:
