זוהי דוגמה הנלמדת בכל שיעור מבוא לביולוגיה: חלבונים מורכבים משילובים של 20 חומצות אמינו שונות, מסודרים לרצפים מגוונים כמו מילים. אבל חוקרים המנסים להנדס מולקולות ביולוגיות עם פונקציות חדשות חשו זמן רב שהם מוגבלים על ידי 20 אבני הבניין הבסיסיות הללו וחתרו לפתח דרכים להכנסת אבני בניין חדשות, הנקראות חומצות אמינו לא קנוניות, לתוך החלבונים שלהם.
כעת, מדענים ב-Scripps Research עיצבו פרדיגמה חדשה להוספת חומצות אמינו לא קנוניות בקלות לחלבונים. הגישה שלהם, המתוארת ב טבע ביוטכנולוגיה ב-11 בספטמבר 2024, נסוב סביב שימוש בארבעה נוקלאוטידים של RNA, ולא בשלושה טיפוסיים, כדי לקודד כל חומצת אמינו חדשה.
המטרה שלנו היא לפתח חלבונים עם פונקציות מותאמות עבור יישומים בתחומים המשתרעים על הנדסה ביולוגית ועד לגילוי תרופות. היכולת לשלב חומצות אמינו לא קנוניות בחלבונים בשיטה החדשה הזו מקרבת אותנו ליעד הזה".
אחמד בדראן, דוקטורט, סופר בכיר, עוזר פרופסור לכימיה ב-Scripps Research
כדי שתא ייצור חלבון מסוים, עליו לתרגם גדיל של RNA למחרוזת חומצות אמינו. כל שלושה נוקלאוטידים של RNA, הנקראים קודון, תואמים לחומצת אמינו אחת. אבל לחומצות אמינו רבות יש יותר מקודון אפשרי אחד; למשל, RNA שקורא את הרצפים UAU ו-UAC תואמים שניהם לחומצת האמינו טירוזין. תפקידן של מולקולות קטנות הנקראות העברה RNAs (tRNAs) לקשר כל חומצת אמינו לקודונים המתאימים לה.
לאחרונה, חוקרים שמטרתם להוסיף חומצות אמינו חדשות לחלוטין לחלבון יצרו אסטרטגיות להקצאה מחדש של קודון. לדוגמה, קודון UAU יכול להיות מקושר לחומצת אמינו חדשה על ידי שינוי ה-tRNA עבור UAU; זה יביא לכך ש-UAU ייקרא על ידי התא כמתאים לאבן בניין שאינה טירוזין. אך יחד עם זאת, כל מופע של UAU בגנום התא יצטרך להפוך ל-UAC, על מנת למנוע מחומצת האמינו החדשה להשתלב באלפי חלבונים אחרים שבהם היא לא שייכת.
"יצירת קודונים חופשיים על ידי קידוד גנום שלם יכולה להיות אסטרטגיה רבת עוצמה, אבל זו גם יכולה להיות משימה מאתגרת מכיוון שהיא דורשת משאבים ניכרים לבניית גנומים חדשים", אומר בדראן. "עבור האורגניזם עצמו, זה יכול להיות קשה לחזות כיצד שינויים קודונים כאלה משפיעים על יציבות הגנום וייצור חלבון המארח."
בדראן ועמיתיו רצו ליצור אסטרטגיית Plug-and-Play יעילה שתשלב רק את חומצות האמינו הלא קנוניות שנבחרו באתרים ספציפיים בחלבון מטרה, מבלי לשבש את הביולוגיה התקינה של התא או לדרוש שהגנום כולו יהיה עָרוּך. המשמעות הייתה שימוש ב-tRNA שעוד לא הוקצה לחומצת אמינו. הפתרון שלהם: קודון בן ארבעה נוקלאוטידים.
הצוות ידע שבמצבים בודדים – כמו חיידקים שהסתגלו במהירות להתנגד לתרופות – התפתחו באופן טבעי קודונים של ארבעה נוקלאוטידים. לכן, בעבודתם החדשה, החוקרים חקרו מה גרם לתאים להשתמש בקודון עם ארבעה נוקלאוטידים ולא שלושה. הם גילו שהזהות של הרצפים הסמוכים לקודון ארבעת הבסיסים הייתה קריטית; קודונים בשימוש תכוף שיפרו את האופן שבו התא יכול לקרוא קודון בן ארבעה נוקלאוטידים כדי לשלב חומצת אמינו לא קנונית.
לאחר מכן, הקבוצה של בדראן בדקה אם הם יכולים לשנות את הרצף של גן בודד כך שיהיה לו קודון חדש בן ארבעה נוקלאוטידים שישמש את התא בצורה נכונה. השיטה עבדה: כאשר החוקרים הקיפו אתר יעד עם שלוש אותיות, השתמשו בקודונים לעתים קרובות ושמרו על רמות מספיקות של tRNA בן ארבע נוקלאוטידים, התא שילב כל חומצת אמינו חדשה שהייתה מחוברת ל-tRNA המתאים בן ארבע האותיות. צוות המחקר חזר על הניסוי עם 12 קודונים שונים בני ארבעה נוקלאוטידים ולאחר מכן השתמש בטכניקה כדי לעצב יותר מ-100 פפטידים מחזוריים חדשים – הנקראים מאקרו-מחזורים – עם עד שלוש חומצות אמינו לא קנוניות בכל אחת מהן.
"הפפטידים המחזוריים האלה מזכירים מולקולות קטנות ביו-אקטיביות שאפשר למצוא בטבע", אומר בדראן. "על ידי ניצול יכולת התכנות של סינתזת חלבון והמגוון של אבני הבניין הנגישות באמצעות גישה זו, נוכל ליצור מולקולות קטנות חדשות לטבע שיהיו להן יישומים מרגשים בגילוי תרופות."
הוא מוסיף כי בהשוואה לגישות קודמות לשילוב חומצות אמינו לא קנוניות, שיטה חדשה זו קלה לשימוש מכיוון שהיא כרוכה בשינוי גן אחד בלבד ולא בכל הגנום של התא. בנוסף, ניתן להשתמש ביותר חומצות אמינו לא קנוניות בחלבון בודד מכיוון שיש יותר קודונים אפשריים של ארבעה נוקלאוטידים מאשר שלושה נוקלאוטידים.
"התוצאות שלנו מצביעות על כך שניתן כעת לשלב בקלות וביעילות חומצות אמינו לא קנוניות באתרים מגוונים במגוון רחב של חלבונים", אומר בדראן. "אנו נרגשים מהאפשרויות הללו לעבודה השוטפת שלנו ולספק את היכולת הזו לקהילה הרחבה יותר."
הוא מציין שניתן להשתמש בטכניקה כדי להנדס מחדש חלבונים קיימים – או ליצור חלבונים חדשים לגמרי – שיש להם שימוש במגוון מגזרים, כולל רפואה, ייצור וחישה כימית.
