Исследователи Научно-технологического университета «Сириус» разработали метод, позволяющий клеткам включать в белки новые аминокислоты, которых не существует в природе. Такой подход может открыть путь к созданию более эффективных лекарств, точных диагностических систем и новых биоматериалов. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Molecular Biosciences и поданы заявки на получение патентов.
Белки — основа жизни всех клеток. Они выполняют роль ферментов, структурных элементов и сигнальных молекул. В природе белки собираются всего из 20 стандартных аминокислот (и двух редких дополнительных), закодированных в геноме организма. Однако учёные давно стремятся расширить этот «алфавит» жизни, чтобы создавать белки с новыми свойствами. В новом исследовании, проводимом в рамках проекта, научная группа под руководством директора Научного центра трансляционной медицины Университета «Сириус» Романа Иванова смогла «научить» клетку использовать дополнительные строительные блоки при сборке белков. Для этого исследователи модифицировали фермент пирролизил-тРНК-синтетазу — один из ключевых элементов системы синтеза белка. С помощью направленной эволюции удалось получить варианты фермента, которые эффективно распознают и встраивают синтетические производные аминокислот фенилаланина и тирозина.
«Расширение генетического кода означает, что мы добавляем новые строительные блоки для создания белков. В нашей работе мы смогли научить клетку выстраивать в полипептидные цепи четыре новые аминокислоты с высокой эффективностью», — объясняет аспирант, младший научный сотрудник направления «Медицинская биотехнология» Научного центра трансляционной медицины Университета «Сириус» Анастасия Дахневич.
Для того чтобы «обучить» фермент работать по-новому, учёные использовали технологию направленной эволюции с участием бактериофагов — вирусов, заражающих бактерии. В этой системе фаги выступают своеобразным фильтром, который одновременно проверяет миллиарды вариантов фермента и отбирает только самые эффективные. Подобный подход позволяет значительно ускорить создание ферментов с нужными свойствами и получить молекулы, которые ранее было невозможно синтезировать.
«По сути, мы устраиваем гонку на выживание среди молекул. Фаги, которым достались “ленивые”, или неумелые, ферменты, не могут размножаться. Выживают только те вирусы, чей фермент успешно справляется с задачей включения новой аминокислоты», — отмечают исследователи.
Расширение генетического кода открывает широкий спектр практических применений. Например, новые аминокислоты можно использовать как «якоря» для присоединения специальных химических меток. Это позволяет наблюдать за белками внутри клетки в режиме реального времени — как будто к молекуле прикрепили миниатюрный GPS-трекер.
Не менее перспективным направлением является разработка лекарств нового поколения. Многие белковые препараты быстро разрушаются в организме под действием ферментов. Встраивание неприродных аминокислот может сделать такие молекулы более устойчивыми, увеличив время их работы и снизив необходимую дозировку.
«Введение неприродных аминокислот позволяет проводить точечную модификацию белков и создавать более стабильные терапевтические молекулы. Это особенно важно для разработки современных биофармацевтических препаратов», — отмечает Анастасия Дахневич.
Помимо медицины, технология может применяться в диагностике и материаловедении. Например, такие модифицированные белки можно использовать для создания высокочувствительных биосенсоров, способных обнаруживать следовые количества веществ в биологических образцах. В другой области — тканевой инженерии — неприродные аминокислоты позволяют создавать белковые материалы с заранее заданными свойствами, включая прочность, эластичность и скорость разложения. Это может быть полезно при разработке биосовместимых хирургических нитей или 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 исследователи.
Учёные отмечают, что для терапевтического применения модифицированных белков потребуется дополнительная проверка безопасности. Основной вопрос связан с тем, как иммунная система будет реагировать на неприродные элементы в составе молекулы.
Тем не менее разработка новых ферментов, способных эффективно встраивать синтетические аминокислоты в белки, считается важным шагом в развитии синтетической биологии и биофармацевтики. По мнению исследователей, такие технологии постепенно приближают науку к созданию белков с заранее заданными функциями — своего рода «молекулярных конструкторов», которые можно будет проектировать под конкретные задачи медицины и биотехнологии.
Автор: Элина Стоянова