Модифицированная бактериальная транспортная система импортирует искусственные аминокислоты для создания эффективных дизайнерских белков

Исследователи из ETH Zurich добились успеха во внесении больших количеств неестественных аминокислот в бактерии, что позволяет создавать инновационные и высокоэффективные дизайнерские белки. Их можно использовать как более эффективные катализаторы или более действенные лекарства.

Жизнь использует 20 аминокислотных строительных блоков, из которых собираются белки. Хотя ограничение числа до 20 блоков позволяет создавать широкое разнообразие структур и функций белков, оно также устанавливает четкие химические границы. В лаборатории же химики теоретически могут синтезировать тысячи искусственных аминокислот, многие из которых обладают совершенно новыми свойствами.

Эти искусственные строительные блоки можно целенаправленно внедрять в белки живых клеток с помощью биотехнологических методов. «Белки со специально вставленными неестественными аминокислотами открывают множество новых возможностей как для медицинских и промышленных применений, так и для научных исследований», — объясняет Катрин Ланг, профессор химической биологии ETH Zurich.

Преодоление прежних ограничений в дизайне белков

До сих пор целенаправленная вставка синтетических аминокислот в белки была значительно менее эффективной, чем производство белков, состоящих только из 20 природных аминокислот. Поэтому применения, как правило, ограничивались небольшими исследовательскими проектами. Значительным узким местом является то, что часто лишь очень небольшие количества неестественных аминокислот попадают в бактерии, используемые для биотехнологического производства.

Теперь группа Ланг разработала решение, позволяющее эффективно вводить искусственные аминокислоты в бактерии. Это означает, что «инструментарий аминокислот» может быть расширен для широкого использования в медицине и биотехнологической промышленности. Для этого исследователи «перехватили» естественную транспортную систему бактерии E. coli. В норме она служит для транспорта коротких белковых фрагментов, известных как пептиды, из окружающей среды внутрь клетки. Их исследование опубликовано в журнале Nature.

Как работает транспортная система

Транспортная система состоит из двух единиц: канала в клеточной мембране и челночного компонента. Челоночная единица распознает пептиды длиной в три или четыре аминокислоты и доставляет их к каналу, который затем направляет их внутрь клетки. Попав внутрь, пептиды расщепляются на отдельные аминокислотные строительные блоки. Затем они становятся доступными для клеточного аппарата, чтобы синтезировать новые белки. Поскольку система должна работать для всех комбинаций природных аминокислот, она не особенно разборчива. Пептиды, содержащие искусственные аминокислоты, также проходят через нее — хотя часто лишь в небольших количествах, если вообще проходят.

Биохимики из ETH использовали две уловки, чтобы позволить транспортной системе импортировать неестественные аминокислоты также и в больших количествах. Во-первых, они упаковали эти аминокислоты в короткие синтетические пептиды, где они были окружены природными строительными блоками. Транспортер охотно пропускает этот «груз» — подобно молекулярному троянскому коню.

Во-вторых, исследователи внесли целенаправленные модификации в челночный компонент. Для этого они определили молекулярную структуру сайта связывания пептидов в челноке. Затем они постепенно и систематически модифицировали эту область в экспериментах, пока сайт связывания не был адаптирован к конкретному пептиду с искусственными аминокислотами.

Потенциальные применения и будущие направления

Чтобы адаптировать сайт таким образом, исследователи использовали методы, имитирующие биологическую эволюцию на высокой скорости. Этот подход теперь можно использовать для адаптации транспортной системы к широкому спектру пептидов с неестественными аминокислотами. Например, команде даже удалось ввести объемные или отрицательно заряженные аминокислоты, которые ранее вообще не могли импортироваться в клетки.

«Неестественные аминокислоты теперь доступны в больших количествах внутри клеток E. coli, наиболее распространенных бактерий, используемых в биотехнологии. Это позволяет нам эффективно включать различные искусственные строительные блоки в белки с помощью методов расширения генетического кода», — говорит Тарун Айп, докторант в группе Ланг и один из ведущих авторов исследования.

«Во многих случаях поэтому возможно производить дизайнерские белки, содержащие неестественные аминокислоты, так же эффективно, как и их природные аналоги», — добавляет Максимилиан Фоттнер, старший научный сотрудник в группе Ланг, также бывший ведущим автором исследования. ETH Zurich подал заявку на патент на новый метод.

В настоящее время этот метод работает в бактериях E. coli. «Мы также работаем над созданием сопоставимой системы в человеческих клетках», — говорит Ланг. «Ее можно было бы использовать для производства человеко-подобных белков со свойствами, которые делают их более подходящими для широкого спектра терапевтических применений».

Однако планы биохимиков ETH также выходят за рамки аминокислот, как объясняет Ланг: «Мы хотим развить систему дальше, чтобы она могла также импортировать другие молекулы, которые ранее не могли проникать в клетки». Эти импортированные молекулы могли бы затем служить исходными материалами для эффективного биотехнологического производства сложных химических соединений, синтез которых в настоящее время неэффективен или невозможен.