ביולוגים סינתטיים מייל הצליחו לכתוב מחדש את הקוד הגנטי של אורגניזם – אורגניזם מקודד גנומי חדש (GRO) עם קודון עצירה אחד – באמצעות פלטפורמה סלולרית שפיתחו המאפשרת ייצור של סוגים חדשים של חלבונים סינתטיים. החוקרים טוענים כי חלבונים סינתטיים אלה מציעים את ההבטחה לאינספור יישומים רפואיים ותעשייתיים שיכולים להועיל לחברה ובריאות האדם.
הקמתו של ציון הדרך, המכונה "אוקר" – אשר דוחס באופן מלא מיותר, או קודונים "מנווונים", לקודון יחיד – מתואר במחקר חדש שפורסם ב- 5 בפברואר 2025 בכתב העת Journal טֶבַעו קודון הוא רצף של שלושה נוקלאוטידים ב- DNA או RNA המקודד עבור חומצת אמינו ספציפית, המשמשת כאבני הבניין הביוכימיות לחלבונים.
מחקר זה מאפשר לנו לשאול שאלות מהותיות לגבי גמישותם של קודים גנטיים. זה גם מדגים את היכולת להנדס את הקוד הגנטי להעניק לרב-פונקציונליות לחלבונים ולהכניס עידן חדש של ביו-טרופיוטיקה וביו-חומרים שניתן לתכנות. "
פארן אייזקס, סופר ופרופסור ללימודי סניור, ביולוגיה מולקולרית, סלולרית והתפתחותית, בית הספר לרפואה של ייל, אוניברסיטת ייל
ה- Landmark Advanc מַדָעשתיאר את בניית ה- GRO הראשון. במחקר זה, החוקרים הדגימו פתרונות חדשים לשמירה על אורגניזמים מהונדסים גנטית ולייצור סוגים חדשים של חלבונים סינתטיים וביו-חומרים עם "לא טבעי", או כימיסטרים שנוצרו על ידי אנוש.
אוצ'ר הוא צעד עיקרי לקראת יצירת קוד גנטי לא מיותר א. קוליבאופן ספציפי, המתאים באופן אידיאלי לייצור חלבונים סינתטיים המכילים חומצות אמינו סינתטיות מרובות ושונות.
ג'סי רינהארט, פרופסור חבר לפיזיולוגיה סלולרית ומולקולרית בבית הספר לרפואה ייל וסופר סניור משותף למחקר, המכונה פריצת דרך "חתיכה עמוקה של הנדסת גנום שלם המבוססת על למעלה מ -1,000 עריכות מדויקות בסדר גודל בסדר גודל בסדר גודל גדול יותר מכל הישג הנדסי שעשינו בעבר. "
"זוהי טכנולוגיית פלטפורמה חדשה ומלהיבה הפותחת מגוון של יישומים לביוטכנולוגיה הן בתחום האקדמי והן במגזר המסחרי", אמר רינהארט. "אנו רוצים לקדם את הידע הכללי שלנו במדע, אך אנו רוצים גם לאפשר יישומים תעשייתיים המועילים לחברה."
הקודון, רצף של שלושה נוקלאוטידים ב- DNA או RNA, פועל כמו "מדריך הוראות" לסינתזת חלבון, ואומר לתא מי מבין 20 חומצות האמינו הטבעיות להוסיף לשרשרת חלבון הולכת וגדלה (או במקרה של "עצור "קודונים, מאותת על סיום סינתזת החלבון). בתהליך זה, המכונה תרגום, המידע הגנטי שנשא ב- RNA של Messenger (mRNA), באמצעות הקוד הגנטי, מכתיב לא רק את סדר חומצות האמינו אלא גם כאשר התהליך צריך להתחיל ולהפסיק.
מייקל גרום, עמית פוסט-דוקטורט בביולוגיה מולקולרית, סלולרית והתפתחותית בייל ובמחבר הראשון של המחקר, דמה קודונים למילים של שלוש אותיות בתוך משפט במתכון הגנטי לכל החיים. בתוך התא, הוא אמר, יש ריבוזומים הפועלים כמו מדפסות תלת מימדיות שקראו את המתכון. כל מילה קוראת לחומצת אמינו "מרכיב" אחת מבין רשימת 20 חומצות האמינו הטבעיות המרכיבות חלבונים.
"הרבה מהמילים האלה שקולות או שם נרדף," אמר גרום. "יצאנו להוסיף עוד מרכיבים לבניית חלבונים, ולכן לקחנו שלוש מילים אלה ל"עצירה" והפכנו אותן אחת. שתי מילים הוסרו, ואז העברנו מחדש את התא כך שהם "שוחררו" לתפקוד חדש. לאחר מכן הנדסנו תא שזיהה את המילה כדי לומר משהו חדש, כדי לייצג מרכיב חדש. "
באופן ספציפי, החוקרים ביטלו שניים משלושת קודוני העצירה המסיימים את ייצור החלבון. הגנום המקודד הוקצה מחדש של ארבעה קודונים לפונקציות שאינן מווננות, כולל שני קודוני העצירה המקודדים המוקדשים לקידוד חומצות אמינו לא סטנדרטיות, או לא טבעיות, לחלבון.
בנוסף להצגת אלפי עריכות מדויקות על פני הגנום, העבודה דרשה תכנון והנדסה מחדש של AI AI של גורמי חלבון ותרגום RNA חיוניים ליצירת זן המסוגל להוסיף שתי חומצות אמינו לא סטנדרטיות לספר המתכונים שלה. חומצות אמינו לא סטנדרטיות אלו מחייבות חלבונים עם תכונות חדשות מרובות, כמו ביולוגיה ניתנת לתכנות עם ירידה של חיסון (יכולת החומר לגרום לתגובה חיסונית בגוף) או ביו -חומרים עם מוליכות משופרת.
התוצאות משקפות שנים של עבודות קידוד על ידי שתי המעבדות במכון לביולוגיה של ייל מערכות בקמפוס המערבי. שיתוף הפעולה בין רינהארט לייזאקים מתוארך לשנת 2010 כשהחלו לעבוד במעבדות שכנות. אייזקס מעוניין זה מכבר בגנום הנדסי – כמו, לדבריו, אדריכל עשוי לתכנן ולבצע שינויים בבניין. עבודתו של רינהארט מתמקדת בחלבונים – כיצד הם מיוצרים וכיצד ניתן יהיה להגיש להם את הבמה לבצע פעולות אחרות.
"זיהינו שיש לנו מומחיות משלימה וששתי המעבדות מביאות מערך רחב של מומחיות ויכולת", אמר רינהארט.
אייזקס מתרגש ממה שהוא מתאר כיישומים שעלולים להיות "רוצחים" לביולוגיה של חלבון הניתן לתכנות שהפלטפורמה החדשה תאפשר. יישום אחד כזה כרוך בתרופות חלבון הנדסיות עם כימיות סינתטיות כדי להקטין את תדירות המינון או התגובות החיסוניות הבלתי רצויות.
הצוות דיווח על יישום כזה באמצעות GO של הדור הראשון שלהם במחקר של 2022. במחקר זה הם קידדו חומצות אמינו שאינן סטנדרטיות לחלבון, והדגימו גישה בטוחה יותר, ניתנת לשליטה כדי לכוונן במדויק את מחצית החיים של ביולוגי חלבון.
תא OCHER החדש מרחיב את היכולות הללו לשימוש בבניית ביולוגיה רב-תפקודית. אייזקס ורינהארט פועלים כיום כיועצים ל- Pear Bio, ספין ביוטכנולוגיה של ייל, אשר רישיון את הטכנולוגיה למסחור ביולוגיה לתכנות.
