Mesterséges fehérjékkel is fenntartható az élet

Első alkalommal sikerült élő sejtek fejlődését biztosító mesterséges fehérjéket alkotni. A Princeton Egyetem tudósainak vívmánya segíthet új biológia rendszereket felépíteni.

A kutatócsoport által létrehozott genetikai szekvencia nem létezik a természetben, mégis képes olyan anyagok létrehozására, ami szinte ugyanolyan könnyedén biztosítják a sejtek létfenntartását, mint a természetes fehérjék. "Molekuláris gépeket készítettünk, amik annak ellenére, hogy a semmiből hoztuk létre és mesterséges génekből fejeződtek ki, egészen jól működnek egy élő organizmusban" - nyilatkozott a kutatást vezető Michael Hecht, a Princeton kémia professzora. "Ebből kiderül, hogy az élethez szükséges molekuláris készlet részeinek nem szükséges kizárólag a természetben már létező elemekre - génekre és proteinekre - korlátozódniuk"

Hecht szerint munkájuk jelentős előrelépést jelent a szintetikus biológia számára, melynek egyik célja egy teljes egészében mesterséges génállomány kifejlesztése. A professzor úgy véli, ez a cél lassan elérhető távolságba kerül. A szintetikus biológiai kutatások eddig szinte kivétel nélkül a természetes organizmusoktól nyert alkotóelemek újrarendezésére összpontosult. Ezzel szemben a Princeton eredménye bebizonyítja, hogy laboratóriumban tervezett makromolekulák is képesek biztosítani a biológiai funkciókat, nem szükséges a természethez fordulni.

Hecht kutatási területe a biológiai folyamatok közötti kapcsolatok tanulmányozása molekuláris méreteken és nagyobb nagyságrendű folyamatoknál. Például szemügyre vették, hogyan alakítja ki a fehérjék rendellenes felgombolyodása (foldingja) az agyban az Alzheimer kórt. A kutatásokból származó ismereteket felhasználjak a folyamatok kialakulásának megakadályozásához szükséges összetevők keresésében. A mostani tanulmányhoz kapcsolódó munkájukban Hecht csapata a fehérjék felgombolyodásának alapszintű működési folyamatait vizsgálta (a fehérjéknél a folding elengedhetetlen a működéshez), és azt, hogy hogyan fejlődhettek egyes kulcs szekvenciák az élet központi elemeivé.

A fehérjék, melyek a celluláris DNS-be kódolt instrukciókból születnek, minden sejtben lejátszódó folyamatban részt vesznek. A proteinek szerepét az őket felépítő 20 aminosav diktálja. Ha a különböző aminosavakat betűkként értelmeznénk, akkor minden fehérje szekvencia egy-egy különálló "mondat" lenne. Ha egy protein 100 aminosav hosszúságú - a legtöbb ennél hosszabb – a lehetséges fehérje szekvenciák száma csillagászati, magyarázta Hecht. Kutatásuk központi kérdése éppen ezért az volt, hogyan lehetséges, hogy az emberi test csupán megközelítőleg 100.000 különböző fehérjét termel, amikor elvileg ennek a sokszorosára is lehetősége lenne. Arra voltak kíváncsiak, hogy ezek a proteinek különlegesek-e valamiben, vagy a többi is ugyanilyen jól működne, csupán az evolúció eddig nem adott esélyt nekik.


Michael Hecht professzor
Hecht és csapata körülbelül 1 millió aminosav szekvenciát készített, amiket stabil háromdimenziós szerkezetekbe gombolyítottak. A keletkezett mesterséges fehérjék nem léteznek a természetben. "Úgy vélem munkánk legérdekesebb eredménye, hogy az ezekbe a mesterséges génekbe kódolt információ teljesen új, nem a természetes génekből származik, nem is rokonítható velük különösebben, mégis egy működő, élő mikrobát kaptunk" - mondta Michael Fisher, a tanulmány társszerzője. "Ezt leginkább ahhoz tudnám hasonlítani, mint amikor veszünk egy mondatot, felsorolunk néhány teljesen új szót, és leteszteljük, hogy az új szavak valamelyike helyettesítheti-e eredeti szavaink valamelyikét, és felfedezzük, hogy bizonyos esetekben a mondat gyakorlatilag a beillesztett új szavakkal is megőrzi eredeti jelentését"

Miután megalkották mesterséges proteinjeiket, a kutatók beillesztették különböző mutáns baktérium törzsekbe, melyekből előtte több természetes gént töröltek, amik viszont adott körülmények között nélkülözhetetlenek voltak a túléléshez. A rideg, tápanyagban szegény körülmények között a mutáns törzsek elpusztultak volna, ha nem tudják hasznosítani Hecht gyűjteményének egyik új proteinjét. Ez azért is jelentős volt, mert egy baktérium kolónia kialakulása a szelektív körülmények között csak akkor mehetett végbe, ha az új fehérjék egyike képes biztosítani az élő sejtek fejlődését.

A kísérletsorozatban a kutatók kimutatták, hogy számos különböző baktérium törzs megmenekült a laboratóriumban előállított új proteineknek köszönhetően. "Ezek a mesterséges proteinek nem rendelkeznek egyetlen ismert biológiai szekvenciával sem, mégis fenntartották az életet" - összegzett Hecht. "Ez egy rendkívül érdekes eredmény, mivel bebizonyítottuk, hogy nem természetes fehérjék is képesek egy természetes rendszer működtetésére, és meglepően sok általunk előállított fehérje volt képes erre" - tette hozzá Kara McKinley, a csapat tagja.