Подобно белковым ферментам, специфические молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК), называемые "рибосомами", обеспечивают катализ различных биохимических реакций (например, расщепление и лигирование различных связей, таких как связи фосфатов, пептидов и других химических соиденений).
В 1988 году Томас Чех, удостоенный Нобелевской премии по химии 1989 года за открытие каталитических РНК, предположил, что каталитические функции рибозимов будут иметь большое значение для многих целей, включая аналитические и биохимические исследования, и что они могут быть особенно полезны в медицинских целях.
Например, способность избирательно расщеплять последовательности РНК может быть непосредственно применима к различным биохимическим исследованиям и вирусной РНК-терапии, поскольку при определенном расщеплении функции молекул РНК немедленно отключаются .
Так почему же РНК так важен?
Следует отметить, что такие функциональные РНК уже существуют в природе, что означает, что биологические системы позволяют легко включать рибосомы в их расшифровки. Например, когда последовательность генов дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) модифицирована, конкретный рибосом может быть частью посыльной РНК (мРНК) или некодирующей РНК после транскрипции, что может привести к тому, что транскрипт будет выполнять каталитическую функцию встроенного рибозима.
Кроме того, сам рибозим может быть модифицирован для изменения функций. Таким образом, недавнее применение доказало, что рибозимы могут использоваться в различных биологических областях помимо и сверх обычных медицинских целей. Являясь каталитической РНК, рибозим обладает рядом уникальных преимуществ и характеристик по сравнению с белковым ферментом.
В области синтетической биологии такие особенности используются для построения "искусственных биологических систем" в биоинженерных исследованиях и биотехнологической промышленности.
Во-первых, транскрипт РНК функционирует сам по себе. По этой причине для получения функциональной формы рибозима не требуется сложный этап перевода, что позволяет ему стать модульным. Эта особенность очень привлекательна при проектировании искусственных биологических систем, поскольку модульный рибозим функционирует в транскрипте РНК.
Благодаря этой модульности, мы можем создать логическую схемообразующую конструкцию, используя минимальные компоненты, а многочисленные белки, входящие в состав РНК, могут выполнять свои программируемые функции одновременно.
Этот процесс может быть использован в качестве строительных блоков в синтетической биологии, и когда такие блоки собираются систематически, они могут быть в конечном итоге создать желаемые искусственные системы.
Во-вторых, уровни экспрессии генов функциональных транскриптов РНК более контролируемы и предсказуемы, чем уровни белков, из-за отсутствия трансляционного шага. Биологические цепи и инструменты в синтетической биологии должны быть точными и надежными, что может быть достигнуто, когда уровни производства конкретных биологических молекул, таких как белки или РНК, находятся под контролем. Хотя уровни производства белка могут быть предсказаны с помощью прогнозов эффективности трансляции, прогноз уровней экспрессии генов был бы намного проще и понятнее.
Поскольку точный контроль экспрессии рибозима достежим, логические схемы на основе этого элемента способны обеспечить более точную и надежную работу, чем схемы на основе ферментов, при создании искусственных биосистем.
В-третьих, транскрипция требует меньше энергии и ресурсов, чем перевод. Для трансляции белка требуется более четырех молекул аденозинтрифосфата (АТФ) на каждую аминокислоту, что требует дополнительного потребления энергии после транскрипции. Типичный биоинженерный процесс включает в себя ряд белковых ферментов, поэтому изменение метаболических путей на белковом уровне часто требует чрезмерной экспрессии нескольких составляющих, что приводит к потреблению исключительно больших ресурсов .
Таким образом, эффективные стратегии управления биологическими системами будут включать манипулирование транскрипционным процессом, а не трансляционными или посттрансляционными процессами, и для этой цели рибозимы, безусловно, являются эффективным инструментом с точки зрения использования энергии и ресурсов.
В-четвертых, манипуляции с функциями рибозима просты. Благодаря тому, что вторичные структуры предсказуемы, мы можем активировать или деактивировать функции путем конформационной реконструкции, которая может быть легко достигнута последовательным связывающим контролем.
Например, мы можем преобразовать природный цис-активный рибозим в искусственный рибозим путем расщепления первоначальной клетки на каталитическое ядро и субстратную цепочку.
Надеюсь, эта статья вам понравилась, тем более если вы биолог-инженер. Читайте больше статей про биологию на моем канале!