Kodirajmo na novo
Sintezna biologija v zadnjih desetletjih premika številne mejnike, od sinteze celotnih genomov do proizvodnje popolnoma novih dizajnerskih proteinov, ki jih v naravi ne najdemo. Pa vendar se tudi pri sintezi slednjih običajno omejuje na naravne aminokisline kot osnovne gradnike proteinov. Tako se postavlja vprašanje: ali je mogoča vgradnja nenaravnih aminokislin v proteine in kaj vse bi sintezna biologija z njo lahko dosegla?
Začnimo z nekaj biološkega ozadja. Proteini so makromolekule, sestavljene iz aminokislin, in so verjetno najpomembnejši gradniki živih organizmov. So nepogrešljivi katalizatorji bioloških reakcij, membranski transporterji, strukturni gradniki ter sprejemniki in oddajniki signalov med celicami. Dandanes se kot zdravila uporabljajo v medicini, encimsko sposobnost katalize pa nemalokrat izkoriščata tudi prehranska in čistilna industrija.
Sinteza proteinov v celici poteka na podlagi zaporedja štirih različnih nukleotidov v molekuli DNK – A, T, G in C. Gen v molekuli DNK se najprej v procesu transkripcije prepiše v mRNK. Nanjo se nato veže ribosom, ki omogoči vezavo molekul tRNK na mRNK. Molekule tRNK, imenovane tudi prenašalne RNK, ob tem v ribosom pripeljejo še nase vezane aminokisline. V ribosom vstopajo molekule tRNK zaporedoma, tam pa se aminokisline od njih odcepijo in se med seboj povežejo v dolgo verigo. Medsebojne interakcije aminokislin v verigi in njihove interakcije s topilom povzročijo, da se dolga veriga zvije v končno tridimenzionalno strukturo proteina. Proces pretvorbe nukleotidnega zaporedja mRNK v aminokislinsko zaporedje proteina imenujemo translacija.
Molekula tRNK prepozna na mRNK zaporedje treh nukleotidov, ki mu pravimo kodon. S kombinacijo štirih različnih nukleotidov – to so prej omenjeni A, T, G in C – lahko sestavimo 64 vrst kodonov, ki tvorijo genetski kod. Trije tako imenovani stop kodoni označujejo konec translacije, medtem ko preostalih 61 nosi zapis za dvajset različnih aminokislin, ki se naravno pojavljajo v proteinih. Ker je število kodonov večje od števila aminokislin, isto aminokislino zapisuje več različnih kodonov. Ti so torej med seboj zamenljivi.
Aminokislinsko zaporedje določa vse lastnosti proteinov, saj vpliva na strukturo, ta pa pogojuje proteinsko funkcijo. Nizko število v naravi prisotnih aminokislin torej deluje kot omejujoč dejavnik v funkcijski raznolikosti proteinov. To opažanje je spodbudilo številne znanstvene skupine k raziskovanju možnosti razširitve raznolikosti aminokislinskih gradnikov proteinov z novimi nenaravnimi aminokislinami.
Pri razvoju metod za vgradnjo novih aminokislin v proteine pa naletimo na temeljni problem: vsi kodoni že imajo določeno funkcijo. Brez temeljnega spreminjanja genetskega koda lahko posameznemu kodonu le dodamo novo nalogo. To pomeni, da kodon ohrani svojo naravno kodirno funkcijo, hkrati pa mu pripišemo še funkcijo kodiranja za novo aminokislino. Zaradi dvojne funkcionalnosti kodona pa ta način ne omogoča stoodstotne uspešnosti vgradnje nenaravne aminokisline v proteine, saj se neželenemu naravnemu kodiranju ne moremo izogniti.
Reševanja tega problema se lahko lotimo na dva načina. Pri prvem načinu določenim kodonom izbrišemo naravno kodirno funkcijo, pri drugem pa s pomočjo novih nukleotidov sestavimo kodone, ki se v naravi sploh ne pojavljajo. V prvem primeru izkoriščamo medsebojno zamenljivost nekaterih kodonov. Ta lastnost genetskega koda odpira možnost popolnega izbrisa določenega kodona iz genoma. Nadomestimo ga namreč lahko z drugim, ki nosi zapis za isto aminokislino, pri čemer ne vplivamo na funkcionalnost genoma. Z novimi tehnologijami, ki omogočajo sintezo celotnih genomov, je to tudi tehnično postalo izvedljivo. Leta 2019 je denimo raziskovalna skupina z Jasonom Chinom na čelu dosegla velik mejnik – ustvarili so bakterijski sev s tremi izbrisanimi kodoni. Odstranjene in posledično nezasedene kodone lahko tako z genskim inženirstvom vstavimo v poljubne gene, z dodatkom ustreznih molekul v sistem, kjer proizvajamo protein, pa jim tako pripišemo funkcijo kodiranja za nove aminokisline.
Pri drugem načinu dosežemo specifično kodiranje za nove aminokisline tako, da genetsko abecedo razširimo iz štirih črk na šest ali osem. Novi nukleotidi implicirajo nastanek novih kodonov, ki nimajo naravne kodirne funkcije in jih zato lahko uporabimo kot nosilce zapisa za nove aminokisline. V obeh primerih razširitve genetskega koda je učinek isti. Pridobitev naravno nezasedenih kodonov omogoča njihovo izrabo za specifično vgradnjo nove aminokisline v točno določeno mesto v proteinu.
Dandanes v sintezni biologiji sicer še vedno prednjači sinteza proteinov iz naravnih gradnikov. Vendar možnost vgrajevanja novih aminokislin v proteine omogoča številne funkcijske modifikacije, ki so se še nedavno zdele težko dosegljive. Nedvomno se velik potencial uporabe kaže v farmaciji, kjer vse od odobritve rekombinantnega človeškega inzulina leta 1982 trg bioloških zdravil strmo raste. Biološka zdravila so zdravila, ki jih ne pridobivamo s kemijsko sintezo, temveč pri njihovi izdelavi uporabljamo celične sisteme. Po kemijski zgradbi gre večinoma prav za proteine. Kljub velikim tržnim uspehom bioloških zdravil pa precejšen problem pri njihovi uporabi še vedno predstavlja njihova hitra razgradnja ali izločanje iz telesa.
Z vpeljevanjem novih aminokislin v proteinsko strukturo bioloških zdravil lahko njihovo procesiranje v telesu spremenimo do željene mere, s čimer povečamo njihovo učinkovitost. Nekatera biološka zdravila z vgrajeno novo aminokislino so že v kliničnem preskušanju. Tak primer je denimo modificiran človeški rastni hormon: z njim so klinične študije druge faze izvedli že leta 2007, vendar se je zaradi velike konkurence na trgu leta 2014 razvoj zdravila ustavil.
Prav gotovo smo trenutno še v fazi razvoja tehnologij razširitve genetskega koda. Kot vsak preskok v znanosti se tudi ta ne more zgoditi čez noč. Prehod iz temeljnih raziskav v komercialno rabo je ob tako velikih modifikacijah kompleksnih bioloških sistemov običajno še daljši. Ogromen napredek v sintezi celotnih genomov v prihodnosti odpira vrata vgrajevanju več sto različnih aminokislin v proteine. Vendarle pa smo trenutno za proizvodnjo takih proteinov omejeni na le nekaj celičnih sistemov, kot je na primer že omenjeni bakterijski sev s tremi izbrisanimi kodoni raziskovalne skupine Jasona China. To predstavlja precejšnjo oviro, saj vsak protein za svojo sintezo potrebuje posebne pogoje, kar vključuje tudi raznolike celične sisteme. Tako nas od komercializacije loči še nekaj let inovacij in razvoja tehnologije.
Dvajset aminokislin se zdi premalo vajencu Luki.
Uredniški izbor
Napovedi
Prikaži Komentarje
Komentiraj