В обычном случае для кодирования каждой аминокислоты используются три нуклеотида РНК, а в новой парадигме применяются целых четыре нуклеотида. Это позволяет легче добавлять неканонические аминокислоты в белки, что важно для создания биологических молекул с новыми функциями.

Подход, описанный в журнале Nature Biotechnology, основан на использовании четырех нуклеотидов РНК, а не трех, как обычно, для кодирования каждой новой аминокислоты.

Наша цель — создать белки с индивидуальными функциями для разных областей, от биоинженерии до открытия лекарств, — говорит Ахмед Бадран, доцент кафедры химии в Scripps Research.

Чтобы клетка произвела белок, она переводит нить РНК в строку аминокислот. Каждые три нуклеотида РНК (кодоны) соответствуют одной аминокислоте. Многие аминокислоты имеют более одного кодона: например, UAU и UAC кодируют тирозин. Связывать аминокислоты с кодонами помогают маленькие молекулы — тРНК.

Исследователи придумали, как добавить в белок новые аминокислоты. Они разработали стратегии для переназначения кодонов.

Например, кодон UAU можно связать с новой аминокислотой, если изменить тРНК для UAU. Тогда клетка будет считывать UAU как строительный блок, отличный от тирозина. При этом каждый экземпляр UAU в геноме клетки должен превратиться в UAC. Это нужно, чтобы новая аминокислота не встраивалась в другие белки, где ей не место.

Бадран считает, что перекодировка всего генома может быть эффективной стратегией. Но это сложная задача, которая требует много ресурсов для создания новых геномов. Кроме того, сложно предсказать, как такие изменения повлияют на стабильность генома и производство белков.

Бадран и его коллеги хотели создать стратегию «plug-and-play», которая включала бы определённые неканонические аминокислоты только в нужные участки целевого белка. При этом нормальная биология клетки должна была сохраниться, а редактирование генома — не требоваться.

Для этого нужно было использовать тРНК, которая ещё не была привязана к какой-либо аминокислоте. Решение — четырёхнуклеотидный кодон.

Команда исследователей знала, что иногда бактерии быстро адаптируются и противостоят лекарствам. Это происходит из-за естественной эволюции четырёхнуклеотидных кодонов.

В новой работе учёные выяснили, почему клетки используют именно четырёхнуклеотидные кодоны. Оказалось, что на это влияет последовательность нуклеотидов, расположенных рядом с кодоном. Благодаря часто используемым кодонам клетка может считывать четырёхнуклеотидный кодон и включать неканоническую аминокислоту.

Группа Бадрана проверила, можно ли изменить последовательность одного гена так, чтобы в нём появился новый четырёхнуклеотидный кодон. Клетка включала любую новую аминокислоту, если целевой участок окружали часто используемые кодоны из трёх букв и поддерживали достаточный уровень четырёхнуклеотидной тРНК.

Исследователи повторили эксперимент с 12 различными четырёхнуклеотидными кодонами и создали более 100 новых циклических пептидов — макроциклов — с тремя неканоническими аминокислотами в каждом.

Эти пептиды похожи на природные биологически активные молекулы, — говорит Бадран.

Используя программируемость синтеза белка и разнообразие строительных блоков, можно создавать новые малые молекулы для поиска лекарств.

Этот метод проще, чем предыдущие подходы к неканоническому присоединению аминокислот. Он предполагает изменение только одного гена, а не всего генома клетки. Кроме того, в одном белке можно использовать больше неканонических аминокислот, поскольку возможных четырёхнуклеотидных кодонов больше, чем трёхнуклеотидных.

Бадран говорит, что теперь можно легко встраивать неканонические аминокислоты в белки. Это открывает новые возможности для исследований и может быть полезно в разных областях, включая медицину, производство и химическое зондирование.