Semua makhluk hidup di Bumi menggunakan salinan kode genetik yang sama. Setiap sel membuat protein menggunakan 20 asam amino yang sama. Ribosom, mesin pembuat protein di dalam sel, membaca kode genetik dari molekul RNA pembawa pesan untuk memutuskan asam amino mana yang kemudian dimasukkan ke dalam protein tertentu yang mereka bangun.

Kode ini bersifat universal, itulah sebabnya ribosom dalam sel kita dapat membaca sepotong RNA pembawa pesan virus dan membuat protein virus fungsional darinya. Namun, ada banyak asam amino lainnya. Sementara kehidupan umumnya tidak menggunakannya, para ilmuwan telah memasukkannya ke dalam protein. Sekarang, para peneliti telah menemukan cara untuk memperluas kode genetik, memungkinkan asam amino non-biologis ini untuk dimasukkan dalam skala besar. Mereka mencapai ini dengan menyalakan set kedua dari segalanya — protein dan RNA — yang diperlukan untuk menerjemahkan kode genetik.

sistem terpisah

Asam amino non-kanonik dapat melakukan sejumlah fungsi. Mereka dapat berfungsi sebagai label sehingga protein spesifik peneliti dapat dengan mudah dilacak di dalam sel. Mereka dapat membantu mengatur fungsi protein, memungkinkan peneliti untuk mengaktifkan dan menonaktifkannya pada waktu dan tempat tertentu yang mereka pilih dan kemudian memantau efek akhirnya. Jika cukup banyak asam amino non-kanonik yang terikat bersama, protein yang dihasilkan akan membentuk kelas biopolimer yang sama sekali baru yang dapat melakukan fungsi yang tidak dapat dilakukan oleh protein konvensional – untuk penelitian, terapi, atau tujuan lainnya.

Menempatkan asam amino non-kanonik ke dalam protein memerlukan manipulasi kode genetik, yang tidak ada cara untuk menentukan penggunaannya. Salah satu pilihan adalah Mengedit kode genetik sel, meninggalkan sebagian besar utuh. Varian ini menggunakan salinan modifikasi dari semua komponen kode genetik: mRNA ortologis, ribosom ortologis, enzim ortologis yang bertanggung jawab untuk membaca mRNA dan membangun protein di dalam ribosom. Ortogonal di sini berarti bahwa mekanisme ini akan bekerja sama dengan tetapi tidak mengganggu mekanisme pembuatan protein ribosom normal di dalam sel. Ini hanya akan membaca dan menerjemahkan mRNA ortologisnya sendiri, bukan garis sel normal.

Komponen ortogonal ini akan ganjil, sehingga tidak diperlukan untuk fungsi sel. Jadi mereka dapat dirancang, diatur secara berbeda, dan dimodifikasi dengan cara apa pun yang dapat diimpikan oleh para ilmuwan. Mereka dapat digunakan untuk membuat polimer baru dan menjelaskan mekanisme yang terlibat dalam produksi protein seluler normal. Ini adalah sesuatu yang tidak dapat kita lakukan dengan komponen seluler normal, karena itu akan membunuh sel.

meningkatkan ortogonalitas

Jason Chen, kepala Pusat Kimia dan Biologi Sintetis (CCSB) di Cambridge, Inggris, dan dia membuat semua komponen ortogonal ini. Tapi itu tidak terlalu efektif. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan minggu ini di kimia alam, menjelaskan cara saya memperbaikinya: menggunakan algoritme komputasi untuk merancang dan mengoptimalkan mRNA ortologis terbaik oleh ribosom ortologis. Tidak hanya hasil protein meningkat secara drastis, tetapi perubahan memastikan bahwa ribosom ortologis berfungsi secara efisien bahkan ketika ribosom normal hadir.

“Pemahaman kami tentang faktor-faktor yang menentukan hasil protein untuk translasi normal tidak lengkap… Hanya setengah dari varians dalam hasil protein yang diamati dapat dijelaskan dengan parameter yang diketahui,” keluhkan pengantar karya tersebut. Namun, labnya telah mengetahui bahwa langkah inisiasi, ketika ribosom mengambil RNA pembawa pesan, merupakan langkah penting. Mereka juga tahu bahwa struktur mRNA itu penting. Jadi mereka mulai memutasi mRNA ortogonal untuk mengubah kedua sisi ini dan memilih mutasi yang mengikat ribosom ortogonal dengan baik tetapi ribosom normal dengan kualitas lebih rendah. Setelah ratusan putaran mutasi, mereka mengoptimalkan tiga mRNA ortologis yang berbeda, mengkodekan tiga protein yang berbeda. Salah satunya mengandung empat asam amino non-kanonik.

Kemudian laboratorium menerapkan metode yang sama untuk meningkatkan enzim ortologis, dan mereka menghasilkan peningkatan hasil protein 33 kali lipat; Sistem ortogonal sekarang membuat jumlah protein yang sama dengan sistem seluler normal. Sel yang digunakan dalam pekerjaan ini adalah bakteri koliTetapi Dr. Chen menggunakan sistem ortogonal untuk membuat protein non-kanonik dalam ragi, sel mamalia, cacing, dan lalat buah.

“Kami mengantisipasi bahwa peluang yang muncul dari metode untuk menggabungkan banyak asam amino non-kanonik yang berbeda akan meningkat seiring jumlah asam amino non-kanonik yang dapat digabungkan,” tulisnya dan rekan. Algoritme yang mereka kembangkan untuk merancang mRNA ortologis yang diterjemahkan secara efisien tentu akan membantu mereka bergerak menuju tujuan ini.

kimia alam 2021. DOI: 10.1038/s41557-021-00764-5