Genetik Alfabede Yeni Bir Dönem: Bilim İnsanları Yeni Proteinler Üretiyor
Scripps Research bilim insanları, kanonik olmayan amino asitleri proteinlere dahil etmek için dört nükleotid kodonları kullanarak bir yöntem oluşturdu ve genom çapında düzenlemeler gerektirmeden protein mühendisliği olanaklarını genişletti. Bu yöntem yeni peptitlerin oluşturulmasında test edilmiştir ve çeşitli alanlardaki uygulamalar için potansiyel taşımaktadır.
Biyolojiye giriş derslerinin her birinde temel bir kavramdır: proteinler, kelimeler gibi çeşitli diziler halinde düzenlenmiş 20 farklı amino asidin kombinasyonlarından oluşur. Ancak, yeni işlevlere sahip biyolojik moleküller tasarlamayı amaçlayan araştırmacılar uzun zamandır bu 20 yapı taşını kısıtlayıcı buluyor. Sonuç olarak, kanonik olmayan amino asitler olarak bilinen yeni bileşenleri proteinlere dahil etmenin yollarını aradılar.
Şimdi, Scripps Research’teki bilim insanları, kanonik olmayan amino asitleri proteinlere kolayca eklemek için yeni bir paradigma tasarladılar. Nature Biotechnology’de 11 Eylül 2024 tarihinde açıklanan yaklaşımları, her yeni amino asidi kodlamak için tipik üç yerine dört RNA nükleotidinin kullanılması etrafında dönüyor.
Protein Mühendisliğine Yeni Bir Yaklaşım
Scripps Research’te yardımcı kimya profesörü olan kıdemli yazar Ahmed Badran, “Amacımız biyomühendislikten ilaç keşfine kadar uzanan alanlardaki uygulamalar için özel işlevlere sahip proteinler geliştirmek” diyor. “Bu yeni yöntemle kanonik olmayan amino asitleri proteinlere dahil edebilmek bizi bu hedefe daha da yaklaştırıyor.”
Bir hücrenin herhangi bir proteini üretebilmesi için bir RNA ipliğini bir dizi amino asite çevirmesi gerekir. Kodon adı verilen her üç RNA nükleotidi bir amino aside karşılık gelir. Ancak birçok amino asidin birden fazla olası kodonu vardır; örneğin, UAU ve UAC dizilerini okuyan RNA’nın her ikisi de tirozin amino asidine karşılık gelir. Her amino asidi karşılık gelen kodonlara bağlamak transfer RNA’ları (tRNA’lar) adı verilen küçük moleküllerin işidir.
Bu çalışmada üretilen 100’den fazla makrosiklidin örnekleri. Renkli bileşenler, her iki peptide de dahil edilen doğada yeni bulunan amino asitleri temsil etmektedir. Kredi: Scripps Araştırma
Son zamanlarda, bir proteine tamamen yeni amino asitler eklemeyi amaçlayan araştırmacılar, bir kodonu yeniden atamak için stratejiler oluşturdular. Örneğin, UAU kodonu, UAU için tRNA değiştirilerek yeni bir amino aside bağlanabilir; bu da UAU’nun hücre tarafından tirozinden başka bir yapı taşına karşılık gelecek şekilde okunmasıyla sonuçlanacaktır. Ancak aynı zamanda, yeni amino asidin ait olmadığı binlerce başka proteine entegre edilmesini önlemek için hücrenin genomundaki her UAU örneğinin UAC haline gelmesi gerekecektir.
Badran, “Tüm genomu yeniden kodlayarak serbest kodonlar oluşturmak güçlü bir strateji olabilir, ancak yeni genomlar oluşturmak için önemli kaynaklar gerektirdiğinden aynı zamanda zorlu bir girişim de olabilir” diyor. “Organizmanın kendisi için, bu tür kodon değişikliklerinin genom stabilitesini ve konak protein üretimini nasıl etkilediğini tahmin etmek zor olabilir.”
Dört Nükleotidli Kodonların Tanıtımı
Badran ve meslektaşları, hücrenin normal biyolojisini bozmadan veya tüm genomun düzenlenmesini gerektirmeden, yalnızca seçilen kanonik olmayan amino asit(ler)i hedef proteindeki belirli bölgelere dahil edecek etkili bir tak ve çalıştır stratejisi oluşturmak istediler. Bu da halihazırda bir amino aside atanmamış tRNA kullanmak anlamına geliyordu. Buldukları çözüm: dört nükleotidli bir kodon.
Ekip, bakterilerin ilaçlara direnmek için hızla adapte olması gibi birkaç durumda dört nükleotidli kodonların doğal olarak evrimleştiğini biliyordu. Bu nedenle, yeni çalışmalarında araştırmacılar, hücrelerin üç yerine dört nükleotidli bir kodon kullanmasına neyin neden olduğunu incelediler. Dört bazlı kodonun yakınındaki dizilerin kimliklerinin kritik olduğunu keşfettiler – sık kullanılan kodonlar, hücrenin kanonik olmayan bir amino asidi dahil etmek için dört nükleotidli bir kodonu nasıl okuyabileceğini geliştirdi.
Badran’ın grubu daha sonra tek bir genin dizilimini, hücre tarafından doğru şekilde kullanılacak yeni bir dört nükleotid kodona sahip olacak şekilde değiştirip değiştiremeyeceklerini test etti. Yöntem işe yaradı: Araştırmacılar bir hedef bölgeyi üç harfli, sık kullanılan kodonlarla çevrelediğinde ve dört nükleotidli tRNA’nın yeterli seviyelerini koruduğunda, hücre karşılık gelen dört harfli tRNA’ya bağlı herhangi bir yeni amino asidi dahil etti. Araştırma ekibi deneyi 12 farklı dört nükleotidli kodonla tekrarladı ve ardından bu tekniği kullanarak her birinde üç adede kadar kanonik olmayan amino asit bulunan ve makrosiklik olarak adlandırılan 100’den fazla yeni siklik peptit tasarladı.
Badran, “Bu döngüsel peptitler, doğada bulunabilecek biyoaktif küçük molekülleri andırıyor” diyor. “Protein sentezinin programlanabilirliğinden ve bu yaklaşımla erişilebilen yapı taşlarının çeşitliliğinden yararlanarak, ilaç keşfinde heyecan verici uygulamalara sahip olacak doğadan yeni küçük moleküller yaratabiliriz.”
Yeni Yöntemin Faydaları
Kanonik olmayan amino asitlerin dahil edilmesine yönelik önceki yaklaşımlarla karşılaştırıldığında, bu yeni yöntemin, bir hücrenin tüm genomu yerine yalnızca bir genin değiştirilmesini içerdiği için kullanımının kolay olduğunu da ekliyor. Ayrıca, üç nükleotidli kodonlardan daha fazla olası dört nükleotidli kodon bulunduğundan, tek bir proteinde daha fazla kanonik olmayan amino asit kullanılabilir.
Badran, “Elde ettiğimiz sonuçlar, artık kanonik olmayan amino asitlerin çok çeşitli proteinlerdeki farklı bölgelere kolayca ve etkili bir şekilde dahil edilebileceğini gösteriyor” diyor. “Devam eden çalışmalarımız için bu olasılıklar ve bu yeteneği daha geniş bir topluluğa sunmak bizi heyecanlandırıyor.”
Badran, bu tekniğin tıp, üretim ve kimyasal algılama gibi çeşitli sektörlerde kullanılabilecek mevcut proteinleri yeniden tasarlamak ya da tamamen yeni proteinler yaratmak için kullanılabileceğini belirtiyor.
Kaynak: https://scitechdaily.com