Микробиологи разработали технологию, которая напрямую редактирует белки в живых клетках. Технология может быть использована для создания белков с новыми функциями.
Ученые научились редактировать белки прямо в живых клетках
Микробиологи разработали технологию, которая напрямую редактирует белки в живых клетках. Технология может быть использована для создания белков с новыми функциями.
Молекулы белка (иллюстрация художника) складываются в работающую форму. Новые редакторы могут менять части белка на другие молекулы и аминокислоты. Ruslanas Baranauskas/Science Photo Library
Порядок аминокислот будущего белка сохраняется в ДНК. Но чтобы «запись» превратилась в работающий белок нужен целый процесс. Сначала нужно считать информацию, сохраненную в генах, потом по этой информации рибосома соберет белок. Ученые давно хотели редактировать белок напрямую, уже после его синтеза. И наконец это удалось.
Новая технология основана на цепочках аминокислот, называемых интеинами, которые могут вырезать себя из белковой последовательности, а саму последовательность склеить. Ученые теперь могут использовать интеины для вставления необычных аминокислот и даже целых полимеров в целевые белки. Метод был описан в двух статьях в журнале Science (май и апрель).
Белки Гудини
Интеины были обнаружены в 1990 году в пекарских дрожжах (Saccharomyces cerevisiae), и с тех пор тысячи этих элементов были идентифицированы в других одноклеточных организмах. «Мы называем их белками Гудини, потому что они способны освободиться от "цепей" белковой последовательности, в которую они встроены», — говорит соавтор работы Том Мьюир.
Рибосома синтезирует белок, используя мРНК в качестве шаблона.
Технология состоит из нескольких шагов. Сначала в ген целевого белка искусственно вставляют последовательность, кодирующую так называемые «интеиновые скобки». Между этими скобками можно оставить «заполнитель» — участок, который потом можно будет заменить. И такой белок с «заполнителем» собирает рибосома.
Затем в клетку вносят другой белок (донор), который содержит нужную последовательность, тоже окруженную интеиновыми «скобками» (ученые использовали так называемые split-inteins — раздельные интеины, каждая часть которых неактивна по отдельности, но вместе они образуют рабочий интеин).
И наконец замена: когда две части интеина (от «донора» и от «заполнителя») встречаются, они объединяются, формируя активный интеин. Он вырезает себя и соединяет те части белка, которые были по разные стороны от интеина. В результате исходный участок («заполнитель») заменяется на новую целевую последовательность, а интеиновые «скобки» исчезают.
Можно привести такую аналогию из программирования. «Заполнитель» играет роль встроенной в белок «переменной», значение которой можно по-разному переопределить с помощью донорской вставки.
Разные способы изображения трехмерной структуры белка на примере триозофосфатизомеразы. Слева — «стержневая» модель, с изображением всех атомов и связей между ними; цветами показаны элементы. В середине — мотив укладки. Справа — контактная поверхность белка, построенная с учетом ван-дер-ваальсовых радиусов атомов; цветами показаны особенности активности участков. В новой технологии редактирования, пока не удается изменить внутренние участки трехмерной структуры белка.
Главное достижение состоит в том, что можно заменять «заполнитель» на самые разные аминокислоты, не меняя ДНК, — достаточно ввести в клетку другого донора с новой последовательностью между интеиновыми скобками. Это позволяет быстро и гибко модифицировать белок в живой клетке, не прибегая к новым генетическим манипуляциям каждый раз.
Первая команда использовала технологию для внесения изменений в пять различных белков в живых клетках. Редакторам белков потребовалось менее десяти минут, чтобы выполнить свою работу, говорит соавтор работы Джордж Берслем. Вторая команда под руководством Мьюира использовала другой набор редакторов для настройки трех белков.
Эти редакторы предоставляют мощный новый инструмент для экспериментов в области клеточной биологии, говорит Мьюир. Эти инструменты можно использовать для добавления маркеров к белкам, что позволит ученым отслеживать действия и движения белков. Редакторы могут вставлять участки аминокислот, которые переопределяют место белка в клетке, дают ему новую функцию или заставляют его взаимодействовать с другим интересующим белком.
Поскольку редактирование происходит быстро, исследователи могут наблюдать за эффектами в реальном времени. Редактирования белков — это перспективное направление, позволяющее ученым вмешиваться в работу белков уже после их синтеза, что расширяет возможности клеточной инженерии и медицины.