Los organismos vivos sintetizan una asombrosa variedad de proteínas combinando 20 aminoácidos en cadenas de cualquier longitud y orden. En el pasado, para ampliar la diversidad de proteínas más allá del alcance de estas 20 subunidades, los científicos modificó el código genético y diseñaron proteínas artificiales que transportan aminoácidos no convencionales.1 Sin embargo, estos esfuerzos tuvieron un éxito mínimo porque las células sólo incorporaron los componentes básicos adicionales en unas pocas copias de las proteínas deseadas.
En una reciente Ciencia estudio, biólogos sintéticos desarrolló una estrategia alternativa incorporar nuevos aminoácidos a las proteínas.2 Estos hallazgos proporcionan un nuevo método para generar proteínas con propiedades artificiales con altos rendimientos, ampliando el alcance de la biología sintética.
“Este grupo trabajó mucho y logró obtener eficiencias superiores al 80 por ciento, lo que creo que demuestra que realmente dieron lo mejor de sí”, dijo James Van Deventerun ingeniero de proteínas de la Universidad de Tufts que no participó en el estudio.
Los ribosomas reciben instrucciones para sintetizar proteínas a partir de los genes en forma de una transcripción de ARN que enumera el orden en el que deben aparecer los 20 aminoácidos. Sin embargo, el ARN está limitado a cuatro letras: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y uracilo (U). Para que las cuatro bases tengan la capacidad de codificar 20 aminoácidos, la El ribosoma los lee en tripletes. conocidos como codones, para los cuales existen 64 variedades.3 Para añadir aminoácidos a la cadena proteica en crecimiento, los codones reclutan ARN de transferencia (ARNt) al ribosoma. Cada ARNt reconoce una secuencia de codones específica y entrega el aminoácido correspondiente a la proteína naciente. Tres de los 64 codones señalan el final de la síntesis de proteínas. codones de parada no se aparean con el ARNt y le ordenan al ribosoma que libere la cadena polipeptídica.4
En intentos anteriores de expandir el alfabeto del código genético, los investigadores introdujeron en las células un ARNt que está vinculado a un aminoácido no canónico y reconoce un codón de parada.5 Sin embargo, esta estrategia resultó ineficaz porque las proteínas que desencadenan el final de la síntesis de proteínas unido al codón más fuertemente que el ARNt modificado, por lo que los codones de parada conservaron su función natural la mayor parte del tiempo.6 “La eficiencia suele ser inferior al cinco por ciento, por lo que en ese caso rara vez se pueden hacer aplicaciones basadas en eso”, dijo. Lin Shixianbiólogo sintético de la Universidad de Zhejiang y coautor del estudio. Lin planteó la hipótesis de que podría ser más eficiente dar a las células un ARNt que se empareje con un codón raro. Para aquellos codones que son raros, el La célula produce menos del ARNt correspondiente.y el ARNt sintético enfrenta menos competencia.7
En primer lugar, el equipo de Lin tuvo que buscar codones raros en líneas celulares humanas. Mediante la secuenciación de ARN, documentaron los siete tripletes menos populares. Para determinar cuál de los siete podían reutilizar de forma más eficiente, introdujeron cada uno de los codones raros en el gen de la proteína fluorescente verde mejorada (eGFP) y transfectaron la construcción modificada en las células. Cuando trataron los cultivos con ARNt sintético que transportaba un aminoácido no convencional fácilmente rastreable y reconocieron estos codones raros, descubrieron que el triplete TCG introducía el nuevo componente básico en la proteína con el mayor rendimiento.
Dado que el codón TCG podría ordenar de manera eficiente al ribosoma que agregue el aminoácido no convencional a una proteína deseada, los científicos razonaron que también podría agregar la nueva subunidad a otras proteínas en la célula que albergan este triplete raro, alterando potencialmente la función de factores esenciales. Para evaluar el nivel de inclusión de fondo, los investigadores trataron las células con diferentes ARNt que portaban un aminoácido rastreable y reconocían el codón TCG o uno de los otros seis codones menos utilizados. Después de recolectar todas las proteínas de las células y teñirlas para el bloque de construcción rastreable, el equipo descubrió que las tratadas con el ARNt que correspondía al codón TCG producían la señal más débil, lo que revela que este triplete conducía al nivel más bajo de incorporación de fondo en otras proteínas.
Para entender por qué la reutilización del codón TCG afectó mínimamente a otras proteínas de la célula, el equipo de Lin estudió las secuencias de ARN a ambos lados del codón TCG. Descubrieron que la eficiencia de la incorporación dependía de las secuencias circundantes. “Incluso descubrimos que si el codón anterior muta por un SNP [single nucleotide polymorphism]“La eficiencia de recodificación será drásticamente diferente”, dijo Lin. Esto significa que los investigadores que buscan reutilizar este codón deben considerar cuidadosamente dónde colocarlo en una secuencia. “En algunos casos, incorporamos estos codones raros en diferentes posiciones en la proteína y la eficiencia de recodificación diverge drásticamente del cinco por ciento al 99 por ciento”, señaló.
Finalmente, para llevar al límite su estrategia, los biólogos sintéticos intentaron reutilizar los dos codones menos utilizados, TAG y TGA, junto con TCG. Modificaron con éxito eGFP para que transportara tres aminoácidos no convencionales en su cadena simultáneamente. Este hallazgo revela que se pueden añadir múltiples subunidades nuevas con propiedades únicas a las proteínas, lo que amplía la capacidad de los investigadores para diseñar biomoléculas con funciones complejas.
La ingeniería de proteínas para que transporten aminoácidos no convencionales podría tener aplicaciones terapéuticas. Van Deventer sugirió que los científicos podrían utilizar esta estrategia para instalar un aminoácido que actúe como un conjugado farmacológico en los anticuerpos. Hacer que la célula incorpore el conjugado durante la síntesis de proteínas podría mejorar el rendimiento en comparación con la alteración química de los anticuerpos ya preparados, explicó.
Los investigadores también podrían utilizar esta estrategia para añadir bloques de construcción con propiedades inusuales a las proteínas. “Tratamos de incorporar aminoácidos no naturales con alta reactividad química”, dijo Lin. Esto podría permitir que el nuevo aminoácido sufra más modificaciones después de la síntesis de proteínas. Por ejemplo, este enfoque podría permitir a los investigadores incorporar aminoácidos reticulables en las proteínas, obligándolas a acoplarse físicamente, señaló Van Deventer. Esta tecnología podría facilitar el estudio de las interacciones físicas entre proteínas.
Divulgación de conflictos de intereses: Shixian Lin presentó una patente provisional relacionada con este estudio con el objetivo de comercializar la técnica.
Referencias
1. Tang H, et al. Tecnologías recientes para la expansión del código genético y sus implicaciones en aplicaciones de biología sintética. J. Mol. Biol.. 2022;434(8):167382.
2. Ding W, y col. Recodificación de codones raros para la incorporación eficiente de aminoácidos no canónicos en células de mamíferos. Ciencia. 2024;384(6700):1134-1142.
3. Avión AA. El Yin y el Yang del uso de codones. Genética Hum Mol. 2016;25(R2):R77-R85.
4. Brown A, et al. Base estructural para el reconocimiento del codón de terminación en eucariotas. Naturaleza. 2015;524(7566):493-496.
5. Barbilla J. Ampliación y reprogramación del código genético. Naturaleza. 2017;550(7674):53–60.
6. Lekomtsev S.A. Códigos genéticos no estándar y terminación de la traducción. Biología molecular. 2007;41(6):878-885.
7. Avión AA. Un código dentro de un código: cómo los codones afinan el plegamiento de proteínas en la célula. Bioquímica de Moscú. 2021;86(8):976-991.