Лишняя аминокислота, или зачем учёным потребовалась новая форма жизни
В последние несколько месяцев уже неоднократно в СМИ пробегали сообщения о тех или иных «коррективах», вносимых новыми данными в привычные представления об эволюции, а также новых теориях, выдвигаемых на основании каких-либо открытий.
Поправки вносились в представления о том, в каких условиях может существовать жизнь и где следует её искать.
Новые внезапные открытия подвергали сомнению общепринятые положения об эволюции человека и его расселении по Земле.
Самой тяжёлой, впрочем, артиллерией в этом отношении оказываются генетики: их заключения становятся порой совершенно революционными.
Однако создание новой формы жизни уже из другой области.
А именно это событие и произошло не так давно.
По правде говоря, создание учёных из института Scripps Research — не совершенно новое существо. Это, если пользоваться технической терминологией, модификация уже существующего организма — причём достаточно известного и крайне широко распространённого.
Речь идёт об «обыкновенной» кишечной палочке Escherichia coli (E. coli), крайне устойчивом ко всяким экстремальным условиям болезнетворном микроорганизме, обитающем в желудках и кишечниках млекопитающих.
И в то же время, учёные добились того, что их создание с чистой совестью можно назвать новой формой жизни.
Поскольку аминокислотных оснований в генетическом коде «новодела» — не двадцать, а двадцать одно.
Подавляющее большинство естественных белков содержат двадцать аминокислотных остатков (АКО). Хотя барьер этот, надо сказать, далеко не абсолютен.
Некоторые микроорганизмы выработали у себя способность образовывать «нестандартные» аминокислоты, такие как селеноцистеин и пирролизин, например. Впрочем, это всего лишь немного видоизменённые варианты цистеина и лизина.
Но куда больший интерес для учёных представляет возможность вводить в натуральные белки другие нестандартные аминокислоты.
Это было бы крайне полезно для медицинских исследований.
Например, некоторые белки, используемые в терапевтических целях, нуждаются в добавлении различных химических групп, таких как полимеры, соединения с поперечной связью и цитотоксичные молекулы.
Технология, использованная специалистами Scripps может найти применение и в базовых биомедицинских исследованиях. Например, существуют аминокислоты, содержащие флуоресцентные группы, которые можно использовать для того, чтобы «метить» белки, и наблюдать за их поведением и взаимодействием с клетками in vivo.
Кроме того, гидрофобные аминокислоты и кислоты, связывающие тяжёлые металлы, а также кислоты, содержащие спиновые метки, могут быть использованы для зондирования белковых структур, в которые их вводят.
Искусственные аминокислоты, содержащие такие компоненты, как, например, кето-группы, можно использовать для присоединения к ним дополнительных химических структур, например, молекул сахаров, что позволит создавать новые лекарства на белковой основе.
Как явствует из специального пресс-релиза, учёных, как обычно, интересует не столько факт создания, по сути, новой формы жизни, сколько практическое применение их технологии.
В самом внедрении искусственных аминокислот в белки нет ничего нового, однако прежде такие манипуляции можно было проводить только в пробирке. А бактерия с 21 аминокислотой, как уже указано, сама способна вырабатывать модифицированные белки.
Создать саму бактерию Шульцу и его коллегам удалось благодаря избыточности генетического кода.
В момент экспрессии белка, фермент считывает ДНК-основания гена (аденин, гуанин, цитозин и тимин) и транскрибирует их в РНК (аденин, гуанин, цитозин и урацил).
Информационная РНК (иРНК) затем переводится рибосомой в белок. Рибосоме требуется поддержка молекул транспортной РНК (тРНК), «заряженной» аминокислотой, а для этого требуется поддержка «заряжающего» фермента.
Каждая тРНК распознаёт отдельную трёхосновную комбинацию (кодон) в информационной РНК и «заряжается» только одной аминокислотой, свойственной этому кодону.
В процессе синтеза белков, тРНК, характерная для следующего кодона в иРНК, приходит уже «заряженной» нужной аминокислотой, и рибосома захватывает её и присоединяет к растущей белковой цепочке.
Избыточность генетического кода проистекает из факта существования большего количества кодонов, чем используемых аминокислот. Существует 64 различных способа формирования кодона — или любой трёхзначной комбинации четырёх «букв» (УАГ, АЦГ, УТЦ и так далее). А аминокислот используется (как правило) всего лишь 20.
Однако природа использует некоторые из излишних кодонов: часть из них кодируют одни и те же кислоты, и только три из 64 кодонов не кодируют вообще никаких аминокислот.
Эти кодоны имеют важное значение, поскольку обычно, когда синтезирующая рибосома натыкается на несмысловой кодон, она отделяется от иРНК и синтез прекращается.
Таким образом, несмысловые кодоны называют ещё и стоп-кодонами. Один из них, известный под названием «янтарный стоп-кодон» (урацил-аденин-гуанин — УАГ), сыграл важную роль в исследованиях Шульца.
Шульц знал, что если он введёт в клетки молекулу тРНК, которая распознаёт УАГ (известную как янтарный супрессор), а также фермент, несущий янтарный супрессор с нестандартной аминокислотой, ему удастся найти способ внедрять нестандартную аминокислоту в любой протеин.
Благодаря этой системе, рибосома, считывающая иРНК, внедрит нестандартную кислоту в тот момент, когда ей встретится УАГ. Более того, любой кодон в иРНК, преобразованный в УАГ, будет кодировать новую аминокислоту в том же самом месте, давая Шульцу и его коллегам возможность внедрять эти новые кислоты в белки там, где им нужно.
Используя этот метод, Шульц и его коллеги вводили кислоту О-метил-L-тирозин в белки с точностью переноса более 99% — почти как у естественных аминокислот. Впоследствии то же самое удалось проделать с рядом других кислот, в том числе p-аминофенилаланином, той самой 21 аминокислотой бактерии.
Впоследствии, добавив плазмиды — циркулярные фрагменты ДНК, которые вызывают экспрессию метаболических генов, необходимых для производства p-аминофенилаланина, — учёные «научили» бактерию вырабатывать собственные нестандартные аминокислоты и внедрять их в любой протеин, кодируемый иРНК, содержащей кодон УАГ.
Теперь учёным предстоит сравнить уникальную бактерию, содержащей 21 аминокислоту с её «родственницей», обычной кишечной палочкой с 20 аминокислотами, и выяснить, как и насколько различаются их эволюционная адекватность и выживаемость.
