طبیعت دستور العملی برای ساخت پروتئین دارد.
سه تایی از حروف DNA به 20 مولکول به نام اسیدهای آمینه تبدیل می شوند. سپس این بلوک‌های ساختمانی اساسی به‌طور گوناگون در مجموعه‌ای از پروتئین‌های سرگیجه‌آور که همه موجودات زنده را تشکیل می‌دهند، به هم متصل می‌شوند. پروتئین‌ها بافت‌های بدن را تشکیل می‌دهند، وقتی آسیب می‌بینند آنها را احیا می‌کنند و فرآیندهای پیچیده را هدایت می‌کنند و عملکرد درونی بدن ما را مانند ماشین‌هایی که به خوبی روغن‌کاری شده‌اند به کار می‌اندازند.
مطالعه ساختار و فعالیت پروتئین‌ها می‌تواند بیماری‌ها را روشن کند، توسعه دارو را به پیش ببرد و به ما کمک کند فرآیندهای بیولوژیکی پیچیده‌ای مانند فرآیندهای کار در مغز یا پیری را درک کنیم. پروتئین ها در زمینه های غیر بیولوژیکی نیز ضروری می شوند، برای مثال، در تولید سوخت های زیستی سازگار با آب و هوا.
با این حال، تنها با 20 بلوک ساختمانی مولکولی، تکامل اساساً محدودیتی را برای انجام پروتئین ها ایجاد می کند. بنابراین، اگر بتوانیم دایره واژگان طبیعت را گسترش دهیم، چه؟
با مهندسی آمینو اسیدهای جدید که در طبیعت دیده نمی شوند و ترکیب آنها در سلول های زنده، پروتئین های عجیب و غریب می توانند کارهای بیشتری انجام دهند. به عنوان مثال، افزودن اسیدهای آمینه مصنوعی به داروهای مبتنی بر پروتئین - مانند داروهای ایمونوتراپی - می تواند ساختار آنها را کمی تغییر دهد تا در بدن ماندگاری بیشتری داشته باشند و موثرتر هستند. پروتئین های جدید همچنین دری را برای واکنش های شیمیایی جدید باز می کنند که پلاستیک ها یا موادی که به راحتی تجزیه می شوند با خواص مختلف می جوند.
ولی یه مشکلی هست اسیدهای آمینه عجیب و غریب همیشه با دستگاه سلول سازگار نیستند.
یک مطالعه جدید in طبیعتدکتر جیسون چین، متخصص زیست شناسی مصنوعی در آزمایشگاه زیست شناسی مولکولی شورای تحقیقات پزشکی در کمبریج، بریتانیا، این رویا را کمی نزدیکتر کرد. آنها با استفاده از یک صفحه نمایش مولکولی جدید، چهار اسید آمینه عجیب و غریب را در پروتئینی در سلول های باکتری پیدا کردند و وارد کردند. این باکتری که در صنعت برای تولید انسولین و سایر داروهای مبتنی بر پروتئین مورد علاقه بود، بلوک های ساختمانی عجیب و غریب را به راحتی پذیرفت.
تمام اجزای جدید اضافه شده با اجزای طبیعی سلول متفاوت هستند، به این معنی که اضافات در عملکرد طبیعی سلول تداخلی ایجاد نمی کنند.
دکتر چانگ لیو از دانشگاه کالیفرنیا در ایروین که بخشی از این مطالعه نبود، گفت: «این یک دستاورد بزرگ است که این دسته‌بندی‌های جدید اسیدهای آمینه را به پروتئین تبدیل کنیم. گفته شده علم.
بن بست مصنوعی
افزودن آمینو اسیدهای عجیب و غریب به موجود زنده یک کابوس است.
سلول را به عنوان یک شهر تصور کنید، با چندین "منطقه" که وظایف خود را انجام می دهند. هسته، به شکل گودال زردآلو، طرح ژنتیکی ما را که در DNA ثبت شده است، در خود جای داده است. در خارج از هسته، کارخانه های پروتئین سازی به نام ریبوزوم از بین می روند. در همین حال، پیام‌رسان‌های RNA مانند قطارهای پرسرعت اطلاعات ژنتیکی را برای تبدیل شدن به پروتئین جابجا می‌کنند.
RNA نیز مانند DNA دارای چهار حرف مولکولی است. هر ترکیب سه حرفی یک "کلمه" را تشکیل می دهد که یک اسید آمینه را رمزگذاری می کند. ریبوزوم هر کلمه را می خواند و اسید آمینه مربوطه را با استفاده از مولکول های RNA انتقالی (tRNA) به کارخانه احضار می کند تا روی آنها چنگ بزند.
مولکول‌های tRNA به گونه‌ای ساخته شده‌اند که آمینو اسیدهای خاصی را با نوعی «چسب» پروتئینی بسیار خاص جذب کنند. هنگامی که آمینو اسید وارد ریبوزوم می شود، از مولکول حامل خود کنده می شود و به یک رشته آمینو اسید دوخته می شود که به شکل های پروتئینی پیچیده در می آید.
واضح است که تکامل یک سیستم پیچیده برای ساخت پروتئین ها ایجاد کرده است. جای تعجب نیست که افزودن اجزای مصنوعی ساده نیست.
در دهه 1980 ، دانشمندان راهی برای اتصال آمینو اسیدهای مصنوعی به حامل داخل لوله آزمایش پیدا کرد. اخیراً آنها این کار را کرده اند گنجانده شده است اسیدهای آمینه غیرطبیعی با ربودن کارخانه‌های داخلی خود بدون تأثیر بر عملکرد طبیعی سلول، به پروتئین‌های داخل سلول‌های باکتری تبدیل می‌شوند.
گذشته از باکتری ها، چین و همکارانش قبلا tRNA هک شده و "چسب" مربوط به آن - به نام سنتتاز tRNA - برای افزودن یک پروتئین عجیب و غریب به سلول های مغز موش.
سیم کشی مجدد ماشین آلات ساخت پروتئین سلول، بدون شکستن آن، تعادل ظریفی را می طلبد. سلول برای گرفتن اسیدهای آمینه جدید و کشیدن آنها به ریبوزوم به حامل های tRNA اصلاح شده نیاز دارد. سپس ریبوزوم باید اسید آمینه مصنوعی را به عنوان اسید آمینه خود بشناسد و آن را به یک پروتئین عملکردی بخیه بزند. اگر هر یک از مراحل زمین بخورد، سیستم بیولوژیکی مهندسی شده از کار می افتد.
گسترش کد ژنتیکی
مطالعه جدید بر گام اول متمرکز شد - مهندسی حامل های بهتر برای اسیدهای آمینه عجیب و غریب.
این تیم ابتدا ژن های پروتئین "چسب" را جهش دادند و میلیون ها نسخه جایگزین بالقوه تولید کردند. هر یک از این گونه ها به طور بالقوه می توانند بر روی بلوک های ساختمان های عجیب و غریب چنگ بزنند.
برای محدود کردن میدان، آنها به مولکول‌های tRNA، حامل اسیدهای آمینه، روی آوردند. هر حامل tRNA با کمی کد ژنتیکی برچسب گذاری شده بود که مانند یک قلاب ماهیگیری به پروتئین های جهش یافته "چسب" متصل می شد. این تلاش هشت جفت امیدوارکننده از میلیون‌ها ساختار بالقوه را پیدا کرد. صفحه دیگری روی گروهی از پروتئین‌های «چسب» که می‌توانستند به چندین نوع بلوک‌های سازنده پروتئین مصنوعی بچسبند، از جمله آن‌هایی که بسیار متفاوت از بلوک‌های طبیعی هستند، استفاده کرد.
سپس این تیم ژن‌هایی را وارد کردند که این پروتئین‌ها را کد می‌کنند اشریشیا کولی سلول های باکتری، مورد علاقه برای آزمایش دستور العمل های زیست شناسی مصنوعی.
به طور کلی، هشت پروتئین "چسب" با موفقیت آمینو اسیدهای عجیب و غریب را در ماشین آلات تولید پروتئین طبیعی باکتری بارگذاری کردند. بسیاری از بلوک های ساختمانی مصنوعی ساختارهای ستون فقرات عجیبی داشتند که به طور کلی با ریبوزوم های طبیعی سازگار نیستند. اما با کمک tRNA مهندسی شده و پروتئین های "چسب"، ریبوزوم ها چهار اسید آمینه عجیب و غریب را در پروتئین های جدید ترکیب کردند.
این تیم در مقاله خود توضیح داد که نتایج "گستره شیمیایی کد ژنتیکی" را برای ساخت انواع جدید مواد گسترش می دهد.
یک جهان جدید
دانشمندان تاکنون صدها آمینو اسید عجیب و غریب پیدا کرده اند. مدل‌های هوش مصنوعی مانند AlphaFold یا RoseTTAFold و تغییرات آنها احتمالاً بیشتر تولید می‌شوند. یافتن حامل‌ها و پروتئین‌های «چسب» که مطابقت داشته باشند همیشه یک مانع بوده است.
مطالعه جدید روشی را برای سرعت بخشیدن به جستجوی پروتئین های طراح جدید با خواص غیرمعمول ایجاد می کند. در حال حاضر، این روش تنها می تواند چهار اسید آمینه مصنوعی را در خود جای دهد. اما دانشمندان در حال حاضر کاربردهایی را برای آنها متصور هستند.
داروهای پروتئینی ساخته شده از این اسیدهای آمینه عجیب و غریب، شکل متفاوتی نسبت به همتایان طبیعی خود دارند و از آنها در برابر پوسیدگی داخل بدن محافظت می کنند. این بدان معنی است که آنها طولانی تر هستند و نیاز به دوزهای متعدد را کاهش می دهد. یک سیستم مشابه می‌تواند مواد جدیدی مانند پلاستیک زیست تخریب‌پذیر را تولید کند که مشابه پروتئین‌ها نیز بر دوخت اجزای جداگانه به یکدیگر متکی است.
در حال حاضر، این فناوری به تحمل ریبوزوم در برابر اسیدهای آمینه عجیب و غریب متکی است - که می تواند غیرقابل پیش بینی باشد. در مرحله بعد، تیم می خواهد خود ریبوزوم را اصلاح کند تا اسیدهای آمینه عجیب و غریب و حامل های آنها را بهتر تحمل کند. آنها همچنین به دنبال ایجاد مواد پروتئین مانند هستند که کاملاً از اسیدهای آمینه مصنوعی ساخته شده اند که می توانند عملکرد بافت های زنده را تقویت کنند.
"اگر می‌توانستید مجموعه بلوک‌های سازنده منبسط شده را به همان روشی که ما می‌توانیم پروتئین‌ها را می‌توانیم رمزگذاری کنیم، می‌توانیم سلول‌ها را به کارخانه‌های زنده برای سنتز رمزگذاری‌شده پلیمرها برای همه چیز از داروهای جدید گرفته تا مواد تبدیل کنیم." گفت: چانه در مصاحبه قبلی "این یک زمینه فوق العاده هیجان انگیز است."
تصویر های اعتباری: موسسه ملی آلرژی و بیماری های عفونی، موسسه ملی بهداشت
- محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
- PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
- PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
- PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
- منبع: https://singularityhub.com/2024/01/23/scientists-coax-bacteria-into-making-exotic-proteins-not-found-in-nature/
