В наших клетках рибосомы — неутомимые «протеиновые фабрики» жизни — продемонстрировали новое умение, которое не использовали миллиарды лет. Исследовательская группа первой в мире успешно расширила диапазон кольцеобразных структур в белках с помощью рибосом, которые традиционно производили только линейные структуры.
Прорыв недавно был опубликован в журнале Nature Communications. Исследование возглавил профессор Джунгу Ли с факультета химической инженерии в POSTECH (Университет науки и технологий Пхохана).
Роль рибосом в синтезе белка
Рибосомы — это важные молекулярные машины, присутствующие во всех живых организмах на Земле. Подобно мастеру, собирающему блоки LEGO, они соединяют аминокислоты (крошечные молекулярные компоненты) в белки, необходимые нашему организму. Они могут соединять около 20 аминокислот в секунду, что в десятки тысяч раз быстрее, чем при обычном химическом синтезе в лаборатории.
Однако с момента зарождения жизни на Земле рибосомы производили белки только с длинной, похожей на лапшу линейной структурой. Эти линейные пептидные структуры относительно хрупкие и не очень хорошо связываются с определёнными мишенями, такими как вирусы, бактерии или раковые клетки, что делает их менее эффективными в качестве терапевтических препаратов. В отличие от них, кольцевые структуры более стабильны, долговечны и прочно связываются с мишенями, но их химическое производство сложно и трудоёмко.
Открытие новых возможностей рибосом
Вдохновлённые тем, что многие природные антибиотики, такие как пенициллин, содержат кольцевые структуры, команда POSTECH задалась вопросом: можно ли заставить рибосомы самостоятельно создавать эти кольца?
Вместо того чтобы модифицировать сам рибосому, исследователи разработали новый набор строительных блоков — 26 специально сконструированных аминокислот. Эти новые аминокислоты естественным образом притягиваются друг к другу внутри рибосомы, образуя кольца в процессе синтеза белка.
Используя бесклеточную систему синтеза белка, команда продемонстрировала, что рибосомы теперь могут производить не только линейные цепи, но и основные кольцевые структуры, такие как пяти- и шестиугольники. Удивительно, но эти реакции происходили в простых биологических условиях при температуре 37 °C и pH 7,5, используя оригинальные механизмы рибосомы, без внешнего вмешательства.
Это не первый раз, когда команда профессора Ли добилась прорыва. В 2022 году в сотрудничестве с Северо-Западным университетом и Университетом Техаса они первыми сообщили, что рибосомы можно использовать для создания белков, содержащих шестичленные кольца, чего никогда ранее не наблюдалось за миллиарды лет их эволюционной истории. Это новое исследование значительно расширяет возможности, представляя более широкий спектр материалов и демонстрируя, что рибосомы теперь могут формировать как пяти-, так и шестичленные кольца.
Более того, процесс формирования колец можно точно контролировать, регулируя дизайн специальных аминокислот. Это может открыть двери для использования рибосом в качестве катализаторов для новых химических реакций, прокладывая путь для разработки лекарств нового поколения и передовых биоматериалов.
«Что меня поразило больше всего, — сказал профессор Ли, — так это то, насколько похожи реакции внутри рибосомы на химические процессы, которые мы изучали в учебниках. Если мы сможем разобраться, как 4500 компонентов рибосомы работают вместе, чтобы выполнять то, что кажется молекулярным волшебством, это может углубить наше понимание как жизни, так и эволюции».
Предоставлено Университетом науки и технологий Пхохана.