Ученые создали быстрый метод «направленной эволюции» молекул
Ученые из Медицинской школы UNC разработали мощную новую технику «направленной эволюции» для быстрой разработки научных инструментов и новых методов лечения многих заболеваний.
Техника, описанная в журнале Cell, позволяет эволюционировать белки для выполнения новых задач за несколько дней. Существующие методы направленной эволюции более трудоемки, требуют больше времени и обычно применяются в бактериальных клетках, что ограничивает их полезность для создания белков, используемых в клетках человека.
Направленная эволюция — это искусственная, ускоренная версия природного эволюционного процесса. Её цель — сфокусировать эволюцию на одной последовательности ДНК, чтобы заставить её выполнять заданную функцию. Метод может использоваться для создания новых мощных терапевтических средств с минимальными побочными эффектами. Первые прорывные работы в этой области были отмечены Нобелевской премией по химии в 2018 году.
«Мы разработали самую надежную на сегодняшний день систему для направленной эволюции в клетках млекопитающих», — заявил ведущий автор исследования Джастин Инглиш, Ph.D.
Новый метод, созданный Ротом, Инглишем и коллегами, является быстрым, простым и универсальным. Он использует вирус Синдбис в качестве носителя гена, который нужно модифицировать. Вирус с генетическим грузом может инфицировать клетки в чашке Петри и быстро мутировать. Исследователи создают условия, при которых выживают только те мутантные гены, которые кодируют белки, способные выполнять желаемую функцию внутри клеток (например, активировать определенный рецептор). Поскольку система работает в клетках млекопитающих, её можно использовать для эволюции новых человеческих, мышиных или других белков млекопитающих, которые было бы сложно или невозможно получить традиционными методами на основе бактериальных клеток.
Инглиш и его коллеги назвали новую систему VEGAS (Viral Evolution of Genetically Actuating Sequences).
Демонстрации метода:
Модификация белка tTA: Исследователи модифицировали тетрациклиновый трансактиватор (tTA), который обычно перестает работать в присутствии доксициклина. С помощью VEGAS они создали новую версию с 22 мутациями, позволяющую tTA работать даже при очень высоких уровнях доксициклина. Процесс занял всего семь дней. Для сравнения: предыдущий метод направленной эволюции для млекопитающих потребовал четыре месяца, чтобы получить всего две мутации, обеспечивающие лишь частичную нечувствительность.
Исследование GPCR-рецепторов: Ученые применили VEGAS к малоизученному GPCR-рецептору под названием MRGPRX2, чтобы заставить его находиться в постоянно активном состоянии. Идентификация мутаций, возникших в ходе этой быстрой эволюции, помогает впервые понять ключевые области в белке рецептора, участвующие в переходе в активное состояние.
Разработка нанотел: Команда использовала VEGAS для быстрой эволюции небольших биологических молекул — нанотел, способных активировать различные GPCR-рецепторы, включая серотониновые и дофаминовые рецепторы, которые являются мишенями многих психиатрических препаратов.
В настоящее время команда использует VEGAS для разработки высокоэффективных инструментов редактирования генов (потенциально для лечения генетических заболеваний) и для создания нанотел, способных нейтрализовать онкогены.