Учеными впервые созданы искусственные белки, способные поддерживать рост живых клеток. Работа профессора Принстонского университета Майкла Гехта и его коллег опубликована в интернет-журнале PLoS ONE, издании Публичной научной библиотеки (Public Library of Science). Это выдающееся достижение поможет «конструировать» новые биологические системы, не имеющие аналогов в природе.

Группа исследователей создала генетические последовательности, которых никто и никогда не видел в природе, и доказала, что на их основе можно получить химические вещества, поддерживающие жизнь клеток почти так же успешно, как это делают белки, продуцируемые их собственным естественным «инструментарием».

«То, что мы построили – это молекулярные машины, достаточно хорошо функционирующие в живом организме, хотя они и созданы с нуля и кодируются искусственными генами», – объясняет Майкл Гехт (Michael Hecht), профессор химии Принстонского университета (Princeton University), возглавлявший исследование. «Это говорит нам о том, что комплект необходимых для жизни молекулярных элементов – генов и белков – не должен ограничиваться уже существующими в природе».

По мнению Гехта, эта работа является значительным достижением в синтетической биологии, новой области исследований, занимающейся разработкой и получением искусственных биологических компонентов и систем. Одной из целей синтетической биологии является создание полностью искусственного генома, состоящего из химических веществ с уникальной структурой.

«Наша работа дает основания предполагать, что конструирование искусственных геномов, способных поддерживать жизнь, находится в пределах досягаемости», – комментирует полученные результаты профессор Гехт.

Почти все предыдущие работы в области синтетической биологии были сфокусированы на реорганизации элементов, взятых из существующих в природе организмов. В отличие от них эксперименты группы Гехта показывают, что биологические функции могут быть обеспечены макромолекулами, полностью созданными в лаборатории.

Хотя ранее ученые уже доказали возможность создания белков, способных сворачиваться и даже катализировать реакции, работа принстонской группы  – новый рубеж в этой области исследований.

Гехт и студенты его лаборатории занимаются изучением взаимосвязи между биологическими процессами на молекулярном уровне и процессами, проявляющимися в больших масштабах. Например, сейчас они исследуют, как нарушенный фолдинг белков головного мозга может привести к болезни Альцгеймера, и занимаются поиском химических соединений, препятствующих этому. Ученых интересует, какие процессы управляют обычным фолдингом белков на первичном уровне – так как для выполнения своей функции белки должны сворачиваться – и почему определенные аминокислотные последовательности вышли в природе на первые роли.

Профессор химии Принстонского университета Майкл Гехт (Michael Hecht) возглавлял группу ученых, которая впервые сконструировала и получила искусственные белки, способные поддерживать рост живых клеток. Синтетические белки были созданы de novo и кодировались искусственными генами. На снимке профессор держит образцы живых бактерий, содержащих синтетические белки.
(Credit: Photo by Brian Wilson)

Белки – «рабочие лошадки» организма, вырабатываемые по инструкциям, закодированным в ДНК клетки. Идентичность того или иного белка определяется уникальной последовательностью из 20 химических веществ – аминокислот. Если различные аминокислоты рассматривать как буквы алфавита, каждая белковая последовательность представляет собой уникальное «предложение».

При условии, что какой-либо белок состоит из 100 аминокислот (большинство белков гораздо длиннее), существует астрономически большое количество вариантов различных белковых последовательностей. В центре исследований Гехта и его группы стоял вопрос, почему в организме человека производится всего лишь 100000 различных белков, хотя возможно существование неизмеримо большего их количества. Ученых интересовало, обладают ли эти белки какими-либо уникальными особенностями. Или возможно, что другие работают так же хорошо, хотя у эволюции еще и не было шанса их испытать.

Исследователи задались целью создать искусственные белки, кодируемые генетическими последовательностями, не встречающимися в природе. Они получили около 1 миллиона аминокислотных последовательностей, способных сворачиваться в стабильные трехмерные структуры.

«Самым интригующим в нашей работе я считаю то, что информация, закодированная в этих искусственных генах, совершенно нова – она не берется из информации, кодируемой природными генами, и не связанна с ней в сколько-либо значимой степени. Тем не менее, конечным результатом является жизнеспособный микроб», – говорит соавтор статьи Майкл Фишер (Michael Fisher), постдокторант Университета Калифорнии в Беркли (University of California-Berkeley). «Это почти то же самое, что взять предложение, придумать новые слова, проверить, могут ли какие-либо из них занять место первоначальных слов предложения, и обнаружить, что в некоторых случаях оно сохраняет практически тот же смысл».

Создав библиотеку искусственных белков, ученые встроили их в различные мутантные штаммы бактерий с заранее удаленными определенными природными генами. Удаленные гены были необходимы для выживания бактерий в специфических условиях, включая ограниченные запасы пищи. В таких суровых условиях мутантные штаммы бактерий были обречены на гибель, если только они не приобретали поддерживающих жизнь новых белков из библиотеки Гехта. Именно это имело определяющее значение, так как образование бактериальной колонии в таких селективных условиях могло происходить, только если белок из коллекции мог поддерживать рост живых клеток.

В серии экспериментов по изучению роли различных белков ученые показали, что несколько штаммов бактерий, которые должны были погибнуть, были спасены новыми белками, созданными в лаборатории.

«Эти искусственные белки не связаны ни с какими известными биологическими последовательностями, и, тем не менее, они поддерживали жизнь» – комментирует свою работу Гехт.

«Это удивительный результат, так как он показывает, что синтетические белки могут поддерживать природную систему и что такие белки можно найти с относительно высокой частотой в библиотеке, созданной только с учетом структуры», – считает второй соавтор работы Кара Мак-Кинли (Kara McKinley), аспирант Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology).

Статья в PLoS ONE: De Novo Designed Proteins from a Library of Artificial Sequences Function in Escherichia Coli and Enable Cell Growth