Ученые из Колумбийского университета в Нью-Йорке создали метод, который решает две основные проблемы, с которыми обычно сталкиваются в инженерии синтетических белков.

Этот метод предотвращает распространение гена, который кодирует синтетический белок, в дикую природу, а также стабилизирует его, так что он не может мутировать и терять свою функцию с течением времени.

Автор исследования Томаш Блажевский говорит, что такие методы «могут быть полезны в сельскохозяйственных целях, когда вы не хотите, чтобы синтетический ген распространялся на естественные культуры, или в любой ситуации, когда вы не хотите, чтобы ваша синтетическая ДНК выходила из лаборатории. «

<img alt=" Данные ДНК "src =": image / gif; base64, R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP /// yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 "data-src =" / image.jtj 2% = 2_tt_t_2_drf_t_t_t_t_t_t_t_t_t_t_t_t_t_t_t_t_t_t_t_1r2_tr_t = 2 / image.jt_t_2% = 8 %_tj_tf_t_t_t_t_t_t_t_t_t_t_t_t_tr_t_p_s_t_t_1_2_t_t_2_tr_t = 2% data-style = "width: 100%;" title = "DNA" class = "lazy-load-image" width = "1000" height = "667" /> vitstudio | Shutterstock

Белковая инженерия является относительно новой областью

Белковая инженерия – это относительно новая область, которая включает в себя создание синтетических белков, которые никогда ранее не встречались в природе.

Инженеры обычно производят новый белок, изменяя ген, который кодирует природную версию.

Сегодня доступны различные синтетические белки, начиная от ферментов, удаляющих пятна, которые повышают эффективность моющих средств, и заканчивая новым типом инсулина длительного действия, который используется для лечения миллионов людей с диабетом.

Однако, две основные проблемы, с которыми сталкиваются белковые инженеры, заключаются в том, чтобы содержать ген, который кодирует белок, чтобы он не распространялся в окружающие организмы, и гарантировать, что ген не мутирует со временем и не теряет свою функцию.

Как сообщается в журнале Science системный биолог Харрис Ван и его коллеги в настоящее время разработали метод, который решает обе эти проблемы.

Новая методология была вдохновлена ​​вирусами

Новый метод был вдохновлен наблюдениями исследователей о перекрывающихся генах, обнаруженных в вирусах. Перекрывающиеся гены занимают одну и ту же последовательность ДНК, но считываются в разные временные рамки, так что два отдельных белка все еще образуются.

«Перекрывающиеся гены дают несколько разных белков при трансляции в альтернативных рамках считывания одной и той же нуклеотидной последовательности», – пишет команда.

Когда гены перекрываются, случайная мутация, происходящая в последовательности, может не повлиять на один ген, но вполне может повредить второй ген, по существу блокируя последовательность ДНК: «Мы думали, что сможем использовать эту идею для синтетической биологии» говорит Ван.

Как работает метод?

Метод, разработанный группой, названный CAMEOS, генерирует одну последовательность ДНК, содержащую два гена, которые продуцируют два отдельных белка.

Алгоритм в CAMEOS берет генетические коды двух встречающихся в природе генов и объединяет их в одну последовательность ДНК. Чтобы достичь этого, нуклеотидные основания в каждом гене должны быть изменены, но это не должно влиять на функционирование полученного белка.

Чтобы определить, какие базовые изменения наиболее вероятны при этом, CAMEOS сканирует базу данных, состоящую из сотен тысяч последовательностей генов.

Объединяя два разных гена в одной последовательности ДНК, алгоритм не дает синтетическим генам приобретать мутации и предотвращает их передачу другим организмам.

Окончательные предсказанные последовательности затем тестируются в живых клетках с использованием высокопроизводительных методов, которые позволяют тестировать сотни тысяч последовательностей в течение короткого периода времени.

Десять лет назад такие технологии были недоступны, говорит Ван:

У нас не было достаточно последовательностей в базе данных, чтобы делать обоснованные прогнозы, и у нас не было способа синтезировать длинные последовательности ДНК для проверки наших прогнозов ».

Остановка переноса гена в окружающие бактерии

Для сдерживания синтетического гена и предотвращения его побега в дикую природу CAMEOS использовался для объединения его с геном, который кодирует токсичный белок. Это означало, что после того, как запутанный ген был вставлен в бактериальные клетки, предназначенные для производства антидота, он генерировал как синтетический ген, так и токсичный белок.

Хотя окружающие бактериальные клетки могут поглощать запутанный ген, они сразу же умрут, как только токсин будет произведен.

«Когда интересующий ген синтетически перекрывался с геном токсина, его частота горизонтального переноса гена между бактериями была сильно подавлена», – говорят авторы.

Стабилизация сконструированного гена для предотвращения потери функции

Когда запутанный ген содержит последовательность ДНК таким образом, он также стабилизирует сконструированный ген и не дает синтетическому белку терять свою функцию и приобретать любой нежелательный.

В синтетической белковой инженерии необходимы методы, которые стабилизируют генно-инженерные функции и ограничивают рекомбинантную ДНК предполагаемыми хозяевами, чтобы справиться с естественным накоплением мутаций и распространяющимся латеральным потоком генов, объясняет команда.

«Нестабильность является проблемой в настоящее время в отраслях, которые используют чаны клеток для производства инженерных белков. Реакция будет проходить только в течение определенного периода времени, прежде чем мутации вступят во владение », – говорит соавтор Син-И Хо. «С CAMEOS, возможно, удастся продлить реакцию».

Исследователи говорят, что эта обобщающая стратегия для проектирования, создания и тестирования перекрывающихся генов помогает стабилизировать вертикальную эволюцию генов и ограничить горизонтальный поток генов.

Команда заключает:

Эта работа позволяет глубже исследовать естественные и сконструированные перекрывающиеся гены и способствует повышению генетической стабильности и биосодержания в новых приложениях ».