آمینو اسیدهای غیراستاندارد
از دستاوردهای جدید تحقیقات اخیر، گسترش کد ژنتیکی بدون نیاز به تغییرات ژنوم میزبان می باشد . محققان با استفاده از باکتری‌های معمولی «E. coli» و با کمک یک روش جدید مبتنی بر پلاسمید، موفق به افزایش کارایی ورود آمینواسیدهای غیرمعمول به توالی پروتئین‌ها شده‌اند. این روش به‌خصوص برای ورود آمینواسیدهای غیرمعمول به کدهای چهارتایی، که به‌طور طبیعی در سیستم‌های زیستی یافت نمی‌شوند، موثر است.
پروتئین‌ها از ترکیب 20 اسید آمینه مختلف تشکیل شده‌اند که به صورت ترتیب‌های گوناگون مانند کلمات آرایش می‌یابند. با این حال، پژوهشگرانی که به دنبال مهندسی مولکول‌های زیستی با عملکردهای جدید هستند، مدت‌هاست که این 20 واحد سازنده را محدودکننده می‌دانند. به همین دلیل، آن‌ها به دنبال راه‌هایی برای افزودن اجزای جدید – معروف به اسیدهای آمینه غیراستاندارد – به پروتئین‌ها بوده‌اند.
به همین دلیل و به جهت بهره وری بیشتر، دانشمندان به استفاده از چهار نوکلئوتید RNA – به جای سه نوکلئوتید معمولی – برای رمزگذاری هر اسید آمینه جدید روی آورده اند.
رویکردی جدید به مهندسی پروتئین
“هدف از این تحقیق توسعه پروتئین‌هایی با عملکردهای خاص برای کاربرد در زمینه‌هایی مانند زیست= مهندسی تا کشف دارو است که وارد کردن اسیدهای آمینه غیر استاندارد به پروتئین‌ها با این روش جدید دانشمندان را به این هدف نزدیک‌تر می‌کند.”
برای اینکه یک سلول هر پروتئین خاصی را تولید کند، باید یک رشته RNA را به یک رشته از اسیدهای آمینه ترجمه کند. هر سه نوکلئوتید از RNA، به نام کدون، به یک اسید آمینه متناظر است. اما بسیاری از اسیدهای آمینه بیش از یک کدون ممکن دارند؛ به عنوان مثال، توالی‌های UAU و UAC در RNA هر دو متناظر با اسید آمینه تیروزین هستند. این وظیفه مولکول‌های کوچکی به نام tRNA انتقالی است که هر اسید آمینه را به کدون‌های متناظر آن پیوند دهند.
اخیراً، پژوهشگرانی که به دنبال افزودن اسیدهای آمینه کاملاً جدید به پروتئین هستند، استراتژی‌هایی برای اختصاص مجدد کدون ایجاد کرده‌اند. برای مثال، کدون UAU می‌تواند با تغییر tRNA برای UAU به یک اسید آمینه جدید متصل شود؛ این تغییر باعث می‌شود که سلول کدون UAU را به عنوان یک واحد سازنده به غیر از تیروزین بخواند. اما در عین حال، هر مورد از UAU در ژنوم سلول باید به UAC تبدیل شود تا از ادغام اسید آمینه جدید در هزاران پروتئین دیگر که آنجا نباید وجود داشته باشد، جلوگیری شود.
ایجاد کدون‌های آزاد از طریق رمزنگاری مجدد کل ژنوم می‌تواند یک استراتژی قدرتمند باشد، اما می‌تواند یک کار چالش‌برانگیز نیز باشد، زیرا نیاز به منابع قابل‌توجهی برای ساخت ژنوم‌های جدید دارد می‌گوید.
کدون‌های چهار نوکلئوتیدی
هدف نهایی ایجاد روشی بود که تنها اسید آمینه(های) غیراستاندارد انتخاب‌شده را در نقاط خاص یک پروتئین وارد کند، بدون اینکه زیست‌شناسی طبیعی سلول مختل شود یا نیاز به ویرایش کل ژنوم باشد. این به معنای استفاده از tRNA ایی بود که هنوز به هیچ اسید آمینه‌ای اختصاص داده نشده باشد. و تنها راه حل آن،استفاده از یک کدون چهار نوکلئوتیدی بود.
یافته های قبلی نشان داد که در برخی موارد، مانند زمانی که باکتری‌ها سریعاً به مقاومت در برابر داروها سازگار می‌شوند، کدون‌های چهار نوکلئوتیدی به طور طبیعی تکامل یافته‌اند. بنابراین، در پژوهش جدید خود، محققان بررسی کردند که چه عواملی باعث می‌شود سلول‌ها از یک کدون چهار نوکلئوتیدی به جای سه نوکلئوتیدی استفاده کنند. آن‌ها کشف کردند که هویت توالی‌های مجاور کدون چهار نوکلئوتیدی بسیار حیاتی است – کدون‌های پرکاربرد باعث افزایش توانایی سلول در خواندن کدون چهار نوکلئوتیدی برای وارد کردن یک اسید آمینه غیراستاندارد می‌شوند.
در ادامه زمانی که محققان یک نقطه هدف را با کدون‌های سه‌حرفی پرکاربرد محاصره کردند و سطوح کافی از tRNA چهار نوکلئوتیدی را حفظ کردند، سلول هر اسید آمینه جدیدی که به tRNA چهار حرفی متصل شده بود را وارد کرد. تیم تحقیقاتی آزمایش را با 12 کدون چهار نوکلئوتیدی مختلف تکرار کرد و سپس از این تکنیک برای طراحی بیش از 100 پپتید حلقوی جدید – که ماکروسایکل نامیده می‌شوند – با تا سه اسید آمینه غیراستاندارد در هر پپتید استفاده کرد.
که این پپتیدهای حلقوی شبیه به مولکول‌های کوچک زیست‌فعال هستند که ممکن است در طبیعت یافت شوند همچنین با استفاده از قابلیت برنامه‌ریزی سنتز پروتئین و تنوع واحدهای سازنده‌ای که با این روش در دسترس هستند، می‌توان مولکول‌های کوچک جدیدی که در طبیعت وجود ندارند ایجاد کرد که کاربردهای هیجان‌انگیزی در کشف دارو خواهند داشت.
فواید روش جدید
در مقایسه با رویکردهای قبلی برای وارد کردن اسیدهای آمینه غیراستاندارد یا غیر طبیعی، این روش جدید بسیار ساده‌تر است زیرا تنها نیاز به تغییر یک ژن دارد و نیازی به ویرایش کل ژنوم سلول نیست. علاوه بر این، تعداد بیشتری از اسیدهای آمینه غیرطبیعی می‌توانند در یک پروتئین استفاده شوند، زیرا کدون‌های چهار نوکلئوتیدی بیشتری نسبت به کدون‌های سه نوکلئوتیدی وجود دارند.
به طور کلی این پیشرفت‌ها در حوزه بسط کد ژنتیکی امکان تولید مولکول‌های زیستی با خواص جدید را فراهم می‌کند و ابزارهای جدیدی برای مطالعه و تغییر عملکردهای زیستی فراهم می‌سازد. در واقع، این محققان از تکنیک‌های مختلفی استفاده کرده‌اند تا کارایی ورود آمینواسیدهای غیر استاندارد به کد ژنتیکی را افزایش دهند و موانع موجود در این زمینه را به‌ویژه در سیستم‌های زنده کاهش دهند.
یکی از نوآوری‌های کلیدی این تحقیق استفاده از tRNA و سنتتازهایی است که به‌طور خاص برای کدهای چهارتایی طراحی شده‌اند. محققان با بهره‌گیری از این نوآوری‌ها، توانسته اند 12 جفت tRNA و سنتتاز مجزا و هماهنگ را شناسایی کنند که قابلیت ورود آمینواسیدهای غیرطبیعی را به کد ژنتیکی دارند.
مهم‌ترین بخش این تحقیق به بهینه‌سازی استفاده از mRNA مربوط می‌شود که نقش مهمی در کاهش خطاها و افزایش کارایی ورود آمینواسیدهای غیرطبیعی دارد. این تیم نشان دادند که استفاده از یک استراتژی جدید برای فشرده‌سازی کدهای ژنتیکی و به‌کارگیری کدون‌های پرتکرار می‌تواند کارایی ترجمه و ورود آمینواسیدها را بهبود بخشد.
در نتیجه این دستاوردها، محققان توانسته‌اند پلی‌پپتیدهایی را تولید کنند که حاوی آمینواسیدهای غیرطبیعی هستند و تا سه نوع آمینواسید جدید را به پروتئین‌ها وارد کنند. این پیشرفت، امکانات جدیدی را برای تولید و کشف مولکول‌های جدید فراهم کرده که می‌تواند در پژوهش‌های زیستی و حتی در صنعت داروسازی کاربردهای گسترده‌ای داشته باشد.
دیدگاهتان را بنویسید