دانشمندان الفبای ژنتیکی را برای ایجاد پروتئین های جدید گسترش دادند

دانشمندان الفبای ژنتیکی را برای ایجاد پروتئین های جدید گسترش دادند

یک باور اساسی که در تمام کلاس‌های مقدماتی زیست‌شناسی تدریس می‌شود این است که پروتئین‌ها از ترکیباتی از ۲۰ نوع اسید آمینه مختلف تشکیل شده‌اند که به صورت توالی‌های متنوع مانند کلمات قرار گرفته‌اند. اما پژوهشگرانی که سعی در مهندسی مولکول‌های زیستی با عملکردهای جدید دارند، مدت‌هاست که احساس محدودیت توسط این ۲۰ بلوک سازنده دارند و به دنبال توسعه روش‌هایی برای اضافه کردن بلوک‌های سازنده جدید – به نام اسیدهای آمینه غیرقانونی (non-canonical amino acids) – به پروتئین‌های خود بوده‌اند.

اکنون دانشمندان در مؤسسه تحقیقات اسکریپس یک روش جدید برای به سادگی افزودن اسیدهای آمینه غیرقانونی به پروتئین‌ها طراحی کرده‌اند. این روش که در ۱۱ سپتامبر ۲۰۲۴ در Nature Biotechnology منتشر شده است، بر استفاده از چهار نوکلئوتید RNA – به جای سه نوکلئوتید معمولی – برای رمزگذاری هر اسید آمینه جدید متمرکز است.

دکتر احمد بدران، استاد شیمی در مؤسسه تحقیقات اسکریپس و نویسنده ارشد این مقاله می‌گوید: “هدف ما توسعه پروتئین‌هایی با عملکردهای اختصاصی برای کاربردهایی در حوزه‌های مختلف از مهندسی زیستی تا کشف دارو است. توانایی وارد کردن اسیدهای آمینه غیرقانونی به پروتئین‌ها با این روش جدید ما را به این هدف نزدیک‌تر می‌کند.”

برای اینکه یک سلول بتواند یک پروتئین خاص تولید کند، باید یک رشته RNA را به یک رشته از اسیدهای آمینه ترجمه کند. هر سه نوکلئوتید RNA که به آن کدون گفته می‌شود، به یک اسید آمینه خاص اختصاص دارد. اما بسیاری از اسیدهای آمینه بیش از یک کدون ممکن دارند؛ برای مثال، کدون‌های UAU و UAC هر دو به اسید آمینه تیروزین تعلق دارند. وظیفه مولکول‌های کوچکی به نام tRNA (انتقال RNA) این است که هر اسید آمینه را به کدون‌های مربوطه متصل کنند.

در سال‌های اخیر، محققانی که قصد داشتند اسیدهای آمینه کاملاً جدیدی را به پروتئین اضافه کنند، استراتژی‌هایی برای بازتعریف یک کدون ایجاد کرده‌اند. برای مثال، کدون UAU می‌تواند به یک اسید آمینه جدید متصل شود با تغییر tRNA برای UAU؛ اما این کار نیازمند تغییر همه موارد UAU در ژنوم سلول است تا از وارد شدن اسید آمینه جدید به پروتئین‌های دیگر جلوگیری شود.

دکتر بدران و همکارانش می‌خواستند یک استراتژی کارآمد “وصل و بازی” ایجاد کنند که تنها اسیدهای آمینه غیرقانونی انتخاب‌شده را به نقاط خاصی در یک پروتئین هدف وارد کند، بدون اینکه زیست‌شناسی سلول مختل شود یا نیاز به ویرایش کل ژنوم باشد. راه‌حل آن‌ها: یک کدون چهار نوکلئوتیدی.

تیم تحقیقاتی متوجه شد که در برخی موقعیت‌ها – مانند زمانی که باکتری‌ها سریعاً برای مقاومت در برابر داروها تطبیق می‌یابند – کدون‌های چهار نوکلئوتیدی به‌طور طبیعی تکامل یافته‌اند. آن‌ها دریافتند که ترتیب‌های نزدیک به کدون چهار نوکلئوتیدی نقش مهمی دارند و کدون‌های پرکاربرد می‌توانند به سلول کمک کنند تا این کدون جدید را برای وارد کردن اسید آمینه غیرقانونی بخواند.

سپس تیم تحقیقاتی این روش را با تغییر توالی یک ژن خاص و اضافه کردن یک کدون چهار نوکلئوتیدی جدید آزمایش کردند. این روش موفقیت‌آمیز بود: زمانی که آن‌ها یک نقطه هدف را با کدون‌های سه‌حرفی و پرکاربرد محاصره کردند و سطوح کافی از tRNA چهار نوکلئوتیدی را حفظ کردند، سلول هر اسید آمینه جدیدی را که به tRNA چهار‌حرفی متصل بود، وارد کرد.

این تیم با استفاده از این تکنیک بیش از ۱۰۰ پپتید حلقوی جدید – به نام ماکروسایکل‌ها – را با تا سه اسید آمینه غیرقانونی در هر یک طراحی کردند. دکتر بدران می‌گوید: “این پپتیدهای حلقوی شبیه مولکول‌های زیست‌فعال کوچکی هستند که در طبیعت یافت می‌شوند. با استفاده از برنامه‌ریزی سنتز پروتئین و تنوع بلوک‌های سازنده قابل دسترسی با این روش، می‌توانیم مولکول‌های کوچکی را ایجاد کنیم که کاربردهای هیجان‌انگیزی در کشف دارو خواهند داشت.”

این تکنیک، در مقایسه با روش‌های قبلی، استفاده آسان‌تری دارد زیرا تنها یک ژن را تغییر می‌دهد نه کل ژنوم یک سلول. همچنین، می‌توان تعداد بیشتری اسید آمینه غیرقانونی را در یک پروتئین واحد استفاده کرد زیرا تعداد کدون‌های چهار نوکلئوتیدی بیشتر از کدون‌های سه‌نوکلئوتیدی است.

دکتر بدران افزود: “نتایج ما نشان می‌دهد که اکنون می‌توان به سادگی و به طور مؤثر اسیدهای آمینه غیرقانونی را در نقاط مختلف پروتئین‌ها وارد کرد. ما از این امکان‌ها برای کارهای آینده‌مان و ارائه این توانایی به جامعه علمی هیجان‌زده‌ایم.”

این روش می‌تواند برای بازطراحی پروتئین‌های موجود یا ایجاد پروتئین‌های کاملاً جدیدی استفاده شود که در حوزه‌های مختلف از جمله پزشکی، تولید و حسگرهای شیمیایی کاربرد خواهند داشت.