Twee van de honderd cyclische peptiden die de Scrippsonderzoekers lieten aanmaken door aangepaste E. coli-cellen (afb: Scripsinstituut)

Eiwitten bestaan uit slechts twintig verschillende aminozuren, die ‘essentieel’ genoemd worden. Synbiologen, die op zoek zijn naar synthetisch leven en niet natuurlijk ‘biomoleculen’, zijn allang bezig dat te veranderen. In de natuur coderen drie opvolgende nucleotiden (basen) (codon of triplet genoemd) in een gen welk van de twintig het wordt. Onderzoekers van het Amerikaanse Scrippsinstituut hebben nu niet-natuurlijke codons gemaakt die bestaan uit vier nucleotiden en coderen voor andere dan de essentiële aminozuren.
“Ons doel is om eiwitten te ontwikkelen met op maat gemaakte functies voor toepassingen op gebieden die variëren van biotechniek tot nieuwe geneesmiddelen”, zegt hoofdauteur Ahmed Badran. “Het feit dat we met deze nieuwe methode niet-canonieke (niet-essentiële;as) aminozuren in eiwitten kunnen opnemen, brengt ons dichter bij dat doel.”
Als een cel een bepaald eiwit wil aanmaken, wordt een RNA-streng in een reeks aminozuren ‘vertaald’ in het ribosoom (de eiwitfabriek). Veel aminozuren hebben meer dan één mogelijk codon. De sequenties UAU en UAC komen, bijvoorbeeld, beide overeen met het aminozuur tyrosine. Transfer-RNA’s (tRNA’s) plakken de verschillende aminozuren aan elkaar.

De Scripps-onderzoekers hebben nu een manier gevonden om een ​​codon opnieuw toe te wijzen. Het UAU-codon zou bijvoorbeeld aan een nieuw aminozuur kunnen worden gekoppeld door het tRNA voor UAU te veranderen. Dat zou ertoe leiden dat UAU door de cel wordt gelezen als overeenkomend met een andere bouwsteen dan tyrosine, maar tegelijkertijd zou elk exemplaar van UAU in het genoom van de cel UAC moeten worden, om te voorkomen dat het nieuwe aminozuur wordt geïntegreerd in duizenden andere eiwitten waar het niet thuishoort.

Hercoderen

“Het creëren van vrije codons door het hercoderen van het hele genoom kan een krachtige strategie zijn, maar het kan ook een uitdagende onderneming zijn, omdat het aanzienlijke middelen vereist om nieuwe genomen te bouwen”, zegt Badran. “Voor het organisme zelf kan het moeilijk zijn om te voorspellen hoe dergelijke codonveranderingen de genoomstabiliteit en de productie van gastheereiwitten beïnvloeden.”

Badran en zijn collega’s wilden een efficiënte kant-en-klaar-strategie creëren die de gekozen niet-essentiële aminozuren alleen op specifieke plaatsen in een doeleiwit zou invoegen, zonder de normale biologie van de cel te verstoren of door het hele genoom te veranderen. Dat betekende het gebruik van tRNA dat nog niet aan een aminozuur was toegewezen. Hun oplossing: een codon van vier nucleotiden.
De onderzoekers wisten dat in een bepaalde situaties – zoals bacteriën die zich snel aanpasten om medicijnen te weerstaan ​​– op natuurlijke wijze codons van vier nucleotiden waren ontstaan. Dus in hun nieuwe werk bestudeerden de ze wat ervoor zorgde dat cellen een codon met vier nucleotiden gebruikten in plaats van drie.
Ze ontdekten dat de sequenties dichtbij het codon van vier basen van cruciaal belang was. Vaak gebruikte codons pasten de manier aan waardoor de cel een codon van vier nucleotiden kon lezen om een ​​niet-essentieel aminozuur op te nemen.

De groep van Badran testte vervolgens of ze de sequentie van een enkel gen konden veranderen, zodat het een nieuw codon van vier nucleotiden had dat correct door de cel zou worden gebruikt. Dat werkte.
Toen de onderzoekers een doelplaats omringden met veelgebruikte drieletterige codons en voldoende niveaus van het vier-nucleotide tRNA in stand hielden, nam de cel elk nieuw aminozuur op dat aan het overeenkomstige vierletterige tRNA was gehecht.
De onderzoekers herhaalden het experiment met twaalf verschillende codons van vier nucleotiden en gebruikten de techniek vervolgens om meer dan honderd nieuwe cyclische peptiden te ontwerpen – macrocycli genoemd – met maximaal drie niet-canonieke aminozuren in elk.

Cyclisch

“Deze cyclische peptiden doen denken aan bioactieve kleine moleculen die je in de natuur kunt vinden”, zegt Badran. “Door te profiteren van de programmeerbaarheid van de eiwitsynthese en de diversiteit aan bouwstenen die via deze aanpak toegankelijk zijn, kunnen we kleine moleculen creëren die nieuw voor de natuur zijn en die opwindende toepassingen zullen hebben.”

Hij voegt eraan toe dat deze nieuwe methode, vergeleken met eerdere benaderingen van niet-essentiële-aminozurenopname, gemakkelijk te gebruiken is, omdat hierbij slechts één gen wordt gewijzigd in plaats van het hele genoom van een cel. Bovendien zouden er meer niet-essentiële aminozuren in een enkel eiwit kunnen worden gebruikt, omdat er meer codons van vier nucleotiden mogelijk zijn dan codons van drie nucleotiden.

“Onze resultaten suggereren dat je nu gemakkelijk en effectief niet-canonieke aminozuren op diverse plaatsen in een breed scala aan eiwitten kunt incorporeren”, zegt Badran. “We zijn enthousiast over deze mogelijkheden.” Hij merkt op dat de techniek kan worden gebruikt om bestaande eiwitten opnieuw te ontwerpen – of geheel nieuwe te creëren – die bruikbaar zouden zijn in een reeks toepassingsgebieden.

Bron: Science Daily