Исследователи из Научно-технологического университета «Сириус» нашли способ заставлять клетки включать в состав белков аминокислоты, которых в природе не существует. Работа, результаты которой опубликованы в журнале Frontiers in Molecular Biosciences, может лечь в основу создания более устойчивых лекарств, точных диагностических систем и биоматериалов с заранее заданными свойствами. Заявки на патенты уже поданы.
В природных условиях белковые молекулы строятся из стандартного набора из двадцати аминокислот (плюс двух редких). Этого «алфавита» жизни достаточно для работы ферментов, сигнальных систем и структурных элементов клетки, но недостаточно для задач синтетической биологии. Учёные из «Сириуса» под руководством Романа Иванова, директора Научного центра трансляционной медицины университета, предложили метод, позволяющий расширить этот алфавит. Они модифицировали фермент пирролизил-тРНК-синтетазу — один из ключевых участников белкового синтеза — и с помощью направленной эволюции получили его варианты, которые эффективно распознают и встраивают синтетические производные фенилаланина и тирозина.
Как пояснила Анастасия Дахневич, аспирант и младший научный сотрудник направления «Медицинская биотехнология» того же центра, расширение генетического кода фактически означает добавление новых строительных блоков для белков. «В нашей работе мы смогли научить клетку выстраивать в полипептидные цепи четыре новые аминокислоты с высокой эффективностью», — рассказала она.
Для «обучения» фермента исследователи применили технологию с участием бактериофагов — вирусов, атакующих бактерии. Фаги выступили в роли фильтра, который одновременно тестирует миллиарды вариантов фермента и отсеивает неэффективные. По словам учёных, это своего рода гонка на выживание среди молекул: фаги с «ленивыми» ферментами теряют способность размножаться, а выигрывают те вирусы, чей фермент успешно справляется с включением новой аминокислоты. Такой подход позволяет многократно ускорить получение ферментов с нужными свойствами.
Практическая ценность метода лежит в нескольких плоскостях. Новые аминокислоты можно использовать как молекулярные «якоря» для присоединения химических меток, что даёт возможность наблюдать за поведением белков внутри живой клетки в реальном времени — исследователи сравнивают это с миниатюрным GPS-трекером для белков. В фармацевтике же речь идёт о создании более стабильных терапевтических молекул: многие белковые лекарства быстро разрушаются ферментами организма, а встраивание неприродных аминокислот способно продлить их жизнь и снизить необходимую дозировку. «Введение неприродных аминокислот позволяет проводить точечную модификацию белков и создавать более стабильные терапевтические молекулы. Это особенно важно для разработки современных биофармацевтических препаратов», — отметила Дахневич.
Кроме того, модифицированные белки могут пригодиться для создания высокочувствительных биосенсоров, способных улавливать следовые количества веществ в биологических образцах, а также для тканевой инженерии. В последнем случае неприродные аминокислоты помогают конструировать белковые материалы с заданной прочностью, эластичностью и скоростью разложения — от хирургических нитей до матриксов для выращивания клеток. «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», — подчёркивают авторы работы.
При этом исследователи признают: для терапевтического применения потребуется дополнительная проверка безопасности. Главный вопрос — как иммунная система отреагирует на неприродные элементы в составе белка. Тем не менее сама разработка ферментов, эффективно встраивающих синтетические аминокислоты, уже считается важным шагом в развитии синтетической биологии. По мнению учёных, подобные технологии постепенно приближают науку к созданию белков с программируемыми функциями — своего рода молекулярных конструкторов, которые можно проектировать под конкретные задачи медицины и биотехнологии.