Cercetătorii de la Yale au creat „Ochre”, un organism genomic recodificat care permite producerea de proteine sintetice cu proprietăţi noi, deschizând calea pentru aplicaţii revoluţionare în medicină, biotehnologie şi industrie.
Specialiştii în biologie sintetică de la Yale au reuşit să rescrie codul genetic al unui organism - un nou organism cu codare genomică (GRO) cu un singur codon stop - folosind o platformă celulară pe care au dezvoltat-o şi care permite producerea de noi clase de proteine sintetice.
Cercetătorii spun că aceste proteine sintetice oferă promisiunea unor nenumărate aplicaţii medicale şi industriale care pot aduce beneficii societăţii şi sănătăţii umane.
Un studiu de referinţă, publicat luna aceasta în revista Nature descrie crearea GRO, cunoscut sub numele de „Ochre”, care comprimă complet codonii redundanţi (sau „degeneranţi”) într-un singur codon. Un codon este o secvenţă de trei nucleotide în ADN sau ARN care codifică un anumit aminoacid, care serveşte ca element biochimic de construcţie pentru proteine.
„Această cercetare ne permite să punem întrebări fundamentale despre maleabilitatea codurilor genetice”, a declarat într-un comunicat Farren Isaacs, profesor de biologie moleculară, celulară şi a dezvoltării la Facultatea de Medicină Yale şi de inginerie biomedicală la Facultatea de Arte şi Ştiinţe Yale, care este coautor principal al lucrării.
„Cercetarea demonstrează, de asemenea, capacitatea de a modifica codul genetic pentru a conferi proteine multifuncţionale şi pentru a deschide o nouă eră a bioterapeuticelor şi biomaterialelor programabile”, a adăugat cercetătorul.
Cercetătorii au folosit progresele anterioare în domeniul recodificării genomice
Progresul de referinţă se bazează pe un studiu din 2013 al echipei, publicat în revista Science, care a descris construirea primului GRO. În acel studiu, cercetătorii au demonstrat noi soluţii pentru protejarea organismelor modificate genetic şi pentru producerea de noi clase de proteine sintetice şi biomateriale cu substanţe chimie „nenaturale” sau create de om.
Ochre reprezintă un pas important către crearea unui cod genetic neredundant în E. coli, în special, care este ideal pentru a produce proteine sintetice care conţin aminoacizi sintetici multipli şi diferiţi.
Un codon, o secvenţă de trei nucleotide din ADN şi ARN care codifică un aminoacid specific, acţionează ca un „manual de instrucţiuni” pentru sinteza proteinelor, indicând celulei care dintre cei 20 de aminoacizi naturali trebuie adăugaţi la un lanţ proteic în creştere sau, în cazul celor trei codoni „stop” (cunoscuţi sub numele de TAG, TGA şi TAA), semnalând încetarea sintezei proteinelor.
În acest proces, cunoscut sub numele de traducere, informaţia genetică transportată într-un ARN mesager (ARNm), prin intermediul codului genetic, dictează nu numai ordinea aminoacizilor, ci şi momentul în care procesul trebuie să înceapă şi să se oprească.
Oamenii de ştiinţă de la Yale au recodificat o celulă pentru a avea un singur codon TAA, nedegenerativ. Codonii TGA şi TAG nou „liberi” au fost reatribuiţi pentru a codifica aminoacizi nestandardizaţi în proteine sintetice care posedă noi substanţe chimice cu nenumărate aplicaţii. Credit: Universitatea Yale / Michael S. Helfenbein, 6 februarie 2025
Jesse Rinehart, profesor asociat de fiziologie celulară şi moleculară la facultatea de medicină Yale şi coautor principal al studiului, a numit descoperirea o „piesă profundă de inginerie a întregului genom, bazată pe peste 1.000 de editări precise la o scară cu un ordin de mărime mai mare decât orice feat de inginerie pe care l-am făcut anterior”.
„Aceasta este o nouă platformă tehnologică interesantă care deschide o serie de aplicaţii pentru biotehnologie, atât în domeniul academic, cât şi în sectorul comercial”, a declarat Rinehart.
Reprogramarea codului genetic pentru funcţii noi
Michael Grome, asociat postdoctoral în biologie moleculară, celulară şi a dezvoltării la Yale şi primul autor al studiului, a comparat codonii cu cuvintele din trei litere dintr-o propoziţie din reţeta genetică a vieţii. În interiorul celulei, a spus el, există ribozomi care acţionează ca imprimante 3-D care citesc reţeta. Fiecare cuvânt solicită un aminoacid „ingredient” din lista de 20 de aminoacizi naturali care alcătuiesc proteinele.
„Multe dintre aceste cuvinte sunt echivalente sau sinonime”, spune Grome. „Ne-am propus să adăugăm mai multe ingrediente pentru construirea proteinelor, aşa că am luat trei dintre aceste cuvinte pentru „stop” şi le-am făcut unul singur. Două cuvinte au fost eliminate, apoi am reproiectat celula astfel încât acestea să fie „eliberate” pentru o nouă funcţie. Apoi am proiectat o celulă care a recunoscut cuvântul pentru a spune ceva nou, pentru a reprezenta un nou ingredient.”
Mai exact, cercetătorii au eliminat doi din cei trei codoni de oprire care pun capăt producţiei de proteine. Genomul recodificat a reatribuit patru codoni funcţiilor nedegenerate, inclusiv cei doi codoni stop recodificaţi dedicaţi codificării aminoacizilor non-standard, sau nenaturali, în proteine. Pe lângă introducerea a mii de modificări precise în genom, cercetarea a necesitat proiectarea şi reproiectarea, ghidate de inteligenţa artificială (AI), a factorilor esenţiali de traducere a proteinelor şi ARN pentru a crea o tulpină capabilă să adauge doi aminoacizi non-standard în reţeta sa. Aceşti aminoacizi non-standard conferă proteinelor multiple proprietăţi noi, cum ar fi produsele biologice programabile cu imunogenitate redusă (capacitatea unei substanţe de a induce un răspuns imun în organism) sau biomaterialele cu conductivitate sporită.
Rezultatele reflectă ani de muncă de recodare a celor două laboratoare de la Institutul de Biologie a Sistemelor Yale (Campusul de Vest). Colaborarea dintre Rinehart şi Isaacs datează din 2010, când au început să lucreze în laboratoare învecinate. Isaacs a fost mult timp interesat de ingineria genomurilor - la fel cum, a spus el, un arhitect ar putea planifica şi face modificări la o clădire. Munca lui Rinehart se concentrează asupra proteinelor - cum sunt acestea fabricate şi cum ar putea fi pregătit terenul pentru ca ele să efectueze alte acţiuni.
Isaacs este încântat de ceea ce el descrie ca aplicaţii potenţial „imens” pentru proteinele biologice programabile pe care noua platformă le va face posibile.
O astfel de aplicaţie implică ingineria medicamentelor proteice cu chimicale sintetice pentru a reduce frecvenţa dozării sau a răspunsurilor imune nedorite.
Echipa a raportat o astfel de aplicaţie folosind prima lor generaţie GRO într-un studiu din 2022. În acel studiu, ei au codificat aminoacizi non-standard în proteine, demonstrând o abordare mai sigură şi controlabilă pentru a regla cu precizie timpul de înjumătăţire al proteinelor biologice.
Noua celulă Ochre extinde aceste capacităţi pentru a fi utilizată în construcţia de produse biologice multifuncţionale. Isaacs şi Rinehart sunt în prezent consultanţi la Pear Bio, un spin-off de biotehnologie de la Yale care a obţinut licenţa pentru tehnologia de comercializare a produselor biologice programabile.
