6. jan. 2011

Povsem umetni proteini lahko nadomestijo naravne

Kolega Franc Nekrep, ki ureja Mikrob(io)log, me je opozoril na novico, ki je danes zaokrožila med tistimi, ki jih zanimajo vede o življenju. Raziskovalci z univerze Princeton so namreč razvili proteine, ki se po svoji zgradbi bistveno razlikujejo od naravnih proteinov, pa vseeno lahko v bakterijah, ki so jim predhodno odstranili nekatere gene, nujno potrebne za življenje, omogočijo njihovo preživetje.

Čeprav je morda nelogično, zakaj bi nekdo poskušal nadomestiti naravne proteine z umetnimi, če naravni normalno delujejo, ima raziskava nek določen pomen za znanost samo. Doslej je bilo namreč tako, da smo vedno izhajali iz naravnih proteinov (in genov za naravne proteine) - tako je nenazadnje Venterjeva 'sintezna celica' konec koncev sestavljena iz genov, ki so v naravi že bili prisotni in gre torej v veliki meri za kopiranje narave. S teoretičnega stališča pa tokratna raziskava pomeni preseganje takega gledanja, saj so dokazali, da lahko neko funkcijo v celici opravljajo proteini, ki jih narava v evoluciji ni izdelala in torej ni treba vedno iskati nekih naravnih zaporedij, da dobimo točno določeno funkcijo v celici.

Raziskavo so predvčerajšnjim objavili v reviji PLOS One in članek je prosto dostopen. Za lažje razumevanje pa predlagam, da preberete novico na spletni strani univerze Princeton.

V izhodišču raziskave je bila zamisel, da bi pripravili knjižnico sinteznih genov, ki so bili načrtani na tak način, da so zapisovali za več kot 1 milijon različnih aminokislinskih zaporedij, sestavljenih iz izmenjujočih se polarnih (P) in nepolarnih (N) aminokislinskih ostankov. Zaporedje je bilo PNPPNNPPNPPNNP, pri čemer so kot P uporabili 6 različnih aminokislin, kot N pa 5 različnih aminokislin. Vsi sintezni geni so zapisovali za proteine dolge 102 ostanka in zaradi take nenavadne razporeditve aminokislin je bilo mogoče predvideti, da se bodo zvili v prostorsko strukturo, urejeno kot snop sestavljen iz 4 alfa-vijačnic. Kratke zavoje med vijačnicami so konstruirali iz 9 različnih aminokislin, nekatera mesta znotraj vijačnic pa so fiksirali. Kljub temu, da so lahko napovedali obliko proteina, pa ni bilo mogoče predvideti, kakšno funkcijo bi imeli taki naključno sestavljeni proteini.

Da bi dokazali, da so nekatere strukture take, da lahko uspešno nadomestijo kakšne manjkajoče gene, so uporabili bakterije Escherichia coli, ki so imele načrtno uvedene delecije. Vsak od 27 uporabljenih sevov je imel okvarjen oziroma manjkajoč samo po en gen, ki pa je bil tak, da zaradi tega celice niso mogle rasti, ne da bi jim dali na razpolago popolno mešanico hranil.

Ugotovili so, da od 27 mutantov pri 4 lahko dosežejo ponovno rast v minimalnem gojišču. To se je zgodilo zato, ker so vneseni naključni sintezni geni prevzeli vlogo okvarjenih genov. Ko so pripravili sev z okvarjenimi vsemi 4 geni, je še vedno bilo mogoče doseči rast v prisotnosti izbranih sinteznih genov.

Že predlani je ista raziskovalna skupina dokazala, da nekateri proteini s strukturo, kakršna je opisana zgoraj, lahko vežejo kofaktorje in lahko opravljajo encimske funkcije, vendar je šlo za analize in vitro in za uporabo umetnih substratov. Tokrat pa so dokazali, da taki proteini lahko delujejo tudi na naravne substrate in v zapletenem naravnem okolju, kakršno celična citoplazma predstavlja.

Preverili so tudi, da pojav rasti na minimalnih gojiščih ni posledica kakšne naključne mutacije v genomu, tako da lahko verjamemo, da je res prišlo do komplementacije z umetnimi proteini (umetni so bili, kar se tiče zaporedja aminokislin, sintetizirale pa so jih bakterije same na osnovi sinteznih genov, vstavljenih v ekspresijske vektorje).

Štirje naravni proteini, ki jih je bilo mogoče nadomestiti z nesorodnimi naravnimi so bili trije encimi iz biosinteznih poti aminokislin in en encim, ki omogoča odcep železa z nosilne molekule, ki omogoča vnos železa v pogojih nizke koncentracije železovih ionov v gojišču. Kako točno delujejo umetni proteini je težko zagotovo ugotoviti, nekaj poskusov pa je bilo narejenih v smeri razjasnitve mehanizma popravljanja okvare. Ne glede na mehanizem pa avtorji trdijo, da je ključno odkritje, da je mogoče kar 0,1 % genoma bakterije nadomestiti z nenaravnimi geni in da celica še vedno preživi.

Morda se 0,1 % ne sliši veliko, a treba je razumeti, da so poskusili samo z enim tipom zvitja in eno dolžino proteinov. Gotovo bi se dalo priti do 'boljšega' rezultata s še več spremenljivkami v eksperimentu, ki pa je bil že tako precej kompleksen.

Celice z umetnimi proteini so rastle bistveno počasneje kot celice z naravnimi proteini, vendar avtorji menijo, da bi z nadaljnimi mutacijami lahko tudi delovanje umetnih proteinov izboljšali.

Na dolgi rok se po mojem vseeno postavlja vprašanje, ali je res smiselno iskati umetna zaporedja in umetne proteine v primerih, ko je evolucija že izdelala naravna in dobro delujoča zaporedja. A kot rečeno, tokrat je šlo samo za dokaz, da umetno lahko do neke mere nadomesti naravno.

2 komentarja:

Franc pravi ...

Marko, najprej hvala za pristen užitek pri prebiranju natančnega in zelo berljivega povzetka omenjene raziskave. Tudi meni se je pojavilo vprašanje podobno vašemu, čemu izzivati celično evolucijsko "domišljijo" s sinteznimi vsiljenci. Razlog je v začetku najbrž preprost: iz radovednosti. In še drugo vprašanje: kako se bo eksperimentalna celica, nedvomno oslabljena v primerjavi z divjimi celicami (počasnejša rast), ki pa ima na voljo tako mehanizme celične obrambe in tudi sposobnost evolucijskega prilagajanja, odzvala na poseg skozi daljši čas (v mislih imam zgolj dogajanje v čisti kulturi, saj kompeticije celica pač ne bi bila sposobna). Morda se nam tako ponuja zanimiv, dodaten model za namene preučevanja t.i. umetne evolucije.

Marko Dolinar pravi ...

Kolega Franc,

strinjava se torej, da je raziskava predvsem pomembna kot dokaz, da lahko neko celično funkcijo opravljajo proteini, ki so strukturno različni od tistih, ki jih je razvila narava.

Vaš pogled na možno nadaljevanje raziskave se mi zdi precej smiseln. Tudi avtorji se zavedajo, da dane omejitve poskusa (s katerimi so se morali sprijazniti zaradi sicer skoraj neskončnih možnosti kombiniranja aminokislin v zaporedju proteina) gotovo niso omogočale sinteze res optimalnih encimov, obstaja pa možnost, da na osnovi sedaj izbranih zaporedij poskušajo pripraviti bolj učinkovite molekule.

Po drugi strani pa je omejevanje na samo en tip zvitja (štiri vijačnice v snopu) verjetno preozko in bi bilo treba preizkusiti še druge prototipe prostorskih struktur. Pri tem pa bi verjetno končni rezultat bil, da je struktura, kakršno je razvila narava, zelo blizu optimalni...