Синтез рибосом: имитация живых клеток

Исследователи в области синтетической биологии из Северо-Западного университета совместно с коллегами из Гарвардской медицинской школы впервые синтезировали рибосомы — клеточные структуры, ответственные за генерацию всех белков и ферментов в организме — с нуля в пробирке.

Предыдущие попытки синтезировать рибосомы из их составных частей приводили к созданию плохо функционирующих рибосом в условиях, не воспроизводящих среду живой клетки. Кроме того, десятилетиями не удавались попытки объединить синтез и сборку рибосом в единый процесс.

Михаэль С. Джуэтт (Северо-Западный университет), Джордж М. Чёрч (Гарвардская медицинская школа) и их коллеги использовали другой подход: они имитировали естественный синтез рибосомы, позволив естественным ферментам клетки способствовать искусственному конструированию.

Эта технология может привести к открытию новых антибиотиков, нацеленных на сборку рибосом; углублённому пониманию того, как рибосомы формируются и функционируют; и созданию рибосом на заказ для производства новых белков с экзотическими функциями, которые было бы трудно или невозможно получить в живых организмах.

"Мы можем имитировать природу и создавать рибосомы так, как это делается в ходе эволюции, где все процессы активируются одновременно", — сказал Джуэтт. — "Наш подход — это схема синтеза "в одном котле", где мы смешиваем в пробирке гены, кодирующие рибосомальную РНК, естественные рибосомальные белки и дополнительные ферменты клетки E. coli, что приводит к сборке рибосомы".

In vitro-сборка рибосом, продемонстрированная в этом исследовании, представляет большой интерес для области синтетической биологии, стремящейся преобразовать возможности конструирования новых или необычных форм жизни и биокаталитических систем для полезных целей.

Результаты четырёхлетнего исследовательского проекта были опубликованы 25 июня в журнале Molecular Systems Biology.

Структура и функция

Рибосомы, состоящие из 57 частей — трёх цепей рибонуклеиновой кислоты (РНК) и 54 белков — осуществляют трансляцию матричной РНК в белки, ключевой процесс клетки. Тысячи белков в клетке, в свою очередь, выполняют множество функций — от пищеварения до создания антител. Клеткам для жизни необходимы рибосомы.

Джуэтт сравнивает рибосому с поваром: она берёт рецепт, закодированный в ДНК, и готовит блюдо — белок. "Мы хотим создавать совершенно новых поваров, или рибосомы, — сказал он. — Затем мы сможем изменять рибосомы, чтобы они делали для нас новые вещи".

Новая технология iSAT

Процесс синтеза, разработанный Джуэттом и Чёрчем, названный технологией "интегрированного синтеза, сборки и трансляции" (iSAT), имитирует природу, позволяя осуществлять синтез, сборку и функционирование рибосом в одной реакции и в одном компартменте.

Работая с клетками E. coli, исследователи объединили естественные рибосомальные белки с синтетически полученной рибосомальной РНК, которая самоорганизовалась in vitro с образованием полусинтетических функциональных рибосом.

Они подтвердили активность рибосом, оценив их способность осуществлять трансляцию люциферазы — белка, ответственного за свечение светлячка. Затем исследователи продемонстрировали способность iSAT создавать модифицированную рибосому с точковой мутацией, которая обеспечивает устойчивость к антибиотику клиндамицину.

Следующие шаги

Следующая цель исследователей — синтезировать все 57 частей рибосомы, включая 54 белка.

"Я очень воодушевлён нашими текущими результатами, — сказал Джуэтт. — Это исследование — важный шаг на пути к синтезу полной рибосомы. Мы продолжим двигать эту работу вперёд".