Как научить клетки создавать несуществующие белки
Белки — универсальные молекулы жизни, но их возможности до сих пор ограничены набором из нескольких десятков аминокислот. Сегодня учёные по всему миру предпринимают попытки дополнить этот «алфавит», чтобы создавать молекулы с заранее заданными свойствами. Расскажем об этой глобальной научной гонке, которая может привести к появлению принципиально новых лекарств и биотехнологий.
Расширение «алфавита жизни»
В природе белки собираются из 20 стандартных аминокислот, закодированных в универсальном генетическом коде. Однако за последние десятилетия стало ясно, что этот код можно расширять. Ещё в начале 2000-х годов учёные показали, что в клетки можно «встраивать» дополнительные аминокислоты с помощью модифицированных транспортных РНК и ферментов. За четверть века удалось использовать десятки таких молекул в разных системах.
Работа учёных из Сириуса продолжает эти исследования. Научная группа под руководством директора Научного центра трансляционной медицины Университета «Сириус» Романа Иванова модифицировала фермент пирролизил-тРНК-синтетазу и научила клетку включать в белки сразу несколько новых аминокислот — синтетические производные фенилаланина и тирозина. Это позволяет не просто изучать белки, а фактически конструировать их свойства.
Роман Иванов демонстрирует Владимиру Путину лабораторный комплекс Научно-технологического университета «Сириус»
Фото: © Юрий Славин / Медиадом «Сириус»
«Расширение генетического кода означает, что мы добавляем новые строительные блоки для создания белков. В нашей работе мы смогли научить клетку встраивать в полипептидные цепи четыре новые аминокислоты с высокой эффективностью», — объясняет аспирант и младший научный сотрудник направления «Медицинская биотехнология» Научного центра трансляционной медицины Университета «Сириус» Анастасия Дахневич.
Чтобы добиться этого, исследователи использовали направленную эволюцию с участием бактериофагов — подход, позволяющий за короткое время «перебрать» множество вариантов фермента и отобрать наиболее эффективные. Проще говоря, учёные устраивают гонку на выживание среди молекул. Фаги, которым достались слабые ферменты, не могут размножаться. Выживают только те вирусы, чьи ферменты успешно справляются с задачей включения новой аминокислоты. Такие технологии сегодня лежат в основе всей области синтетической биологии: они позволяют перепрограммировать базовые процессы клетки — от считывания генетической информации до сборки белков. Современные методы включают не только изменение ферментов, но и переразметку самого генетического кода — например, переназначение редких кодонов или освобождение «лишних» триплетов ДНК под новые функции.
Исследование учёных Университета «Сириус» стало частью международного тренда в области биологии. Так, в этом году китайским учёным удалось за счёт перепрограммирования редких кодонов генетического кода одновременно встроить в белок до пяти различных синтетических аминокислот в клетках млекопитающих. Параллельно развиваются и более радикальные подходы — например, создание расширенных генетических систем с дополнительными «буквами» ДНК или использование алгоритмов искусственного интеллекта для проектирования белков с неприродными аминокислотами на атомарном уровне. Такие технологии уже позволяют выходить за пределы естественного белкового пространства и проектировать молекулы с заданной функцией.
Учёные активно используют природные свойства вирусов для создания новых лекарств
Фото: © Pixel-Shot / Shutterstock / FotoDom
От фундаментальной науки к инженерии жизни
Практическое значение таких исследований связано прежде всего с фармакологией. Белковые препараты — от антител до гормонов — часто нестабильны и быстро разрушаются в организме. Добавление неприродных аминокислот может сделать их более устойчивыми, точными и безопасными.
«В перспективе такие технологии могут привести к появлению лекарств с меньшим числом побочных эффектов, более точных методов диагностики и медицинских материалов, которые лучше совместимы с организмом человека», — отмечает Анастасия Дахневич.
Кроме того, такие аминокислоты могут служить «якорями» для химических меток — это позволяет отслеживать поведение белков в клетке почти в реальном времени. Подобные подходы уже используются для изучения структуры белков, регуляции их активности и разработки новых диагностических методов.
Расширение генетического кода — это не просто ещё один биотехнологический инструмент. Фактически речь идёт о переходе от изучения жизни к её проектированию. Если раньше белки были результатом эволюции, то теперь они становятся объектом инженерии. Работа учёных Сириуса показывает, что эти технологии постепенно переходят из области фундаментальных экспериментов в прикладную науку. И хотя до клинического применения ещё предстоит пройти долгий путь — включая проверку безопасности и иммунного ответа, — направление уже ясно: будущее медицины во многом будет связано с белками, созданными не природой, а человеком.
