AGENTEX siirtää geneettisen koodin uudelleenarvioinnin koeputkeen

AGENTEX eli Automated Genetic tRNA Expansion muuttaa geneettisen koodin suunnittelun työjärjestystä. Tutkijoiden ei tarvitse ensin muokata kokonaisen organismin genomia ja vasta sen jälkeen selvittää, toimiiko uusi proteiinien valmistusjärjestelmä. Sen sijaan vaihtoehtoisia käännösjärjestelmiä voidaan koota soluttomassa ympäristössä, testata robottien avulla ja viedä solukokeisiin vasta, kun lupaavimmat ratkaisut on tunnistettu. 6

Raportoiduissa kokeissa järjestelmät pystyivät hyödyntämään jopa 34 aminohapporakennuspalikkaa eliöiden tavanomaisen 20:n sijaan. 7 Keskeinen oivallus ei ole kodonien määrän kasvattaminen yli 64:n, vaan se, että suurempi osa näistä kodoneista voidaan ottaa käyttöön vaihtoehtoisilla merkityksillä.

Mikä geneettisessä koodissa rajoittaa?

Geneettinen koodi yhdistää 64 mahdollista kolmen emäksen mittaista kodonia 20 aminohappoon sekä aloitus- ja lopetussignaaleihin. Koska useat kodonit merkitsevät samaa aminohappoa, koodissa on sisäänrakennettua päällekkäisyyttä. Tämä tarjoaa mahdollisuuksia joidenkin kodonien uudelleenmäärittelyyn.

Elävässä solussa kodonin merkityksen muuttaminen on kuitenkin riskialtista. Sama kodoni voi esiintyä lukuisissa välttämättömissä geeneissä, jolloin sen uusi tulkinta voi aiheuttaa laajamittaista virhetulkintaa proteiineissa. Käytännössä tutkijoiden pitäisi usein korvata tai poistaa kyseinen kodoni koko genomista ja estää solun omaa käännöskoneistoa kilpailemasta suunnitellun järjestelmän kanssa.

AGENTEX vie ensimmäisen kokeen solun ulkopuolelle. Tutkijat voivat koota haluamansa käännöskomponentit ja selvittää, tuottaako ehdotettu kodoni–aminohappokartta oikean proteiinin tai peptidin, ennen kuin he sitoutuvat genomitasoiseen muokkaukseen. 615

Miten vaihtoehtoiset koodit toimivat?

Kodoni tulkitaan lähetti-RNA:n, siirtäjä-RNA:n ja käännöskoneiston yhteistyönä. AGENTEX keskittyy näiden molekyylisuhteiden suunnitteluun sen sijaan, että luonnollista geneettistä koodia pidettäisiin muuttumattomana.

Raportoidussa työssä tutkittiin muokattujen ribosomien, tRNA-molekyylien ja aminoasyyli-tRNA-syntetaasien eli tRNA:han aminohappoja liittävien entsyymien yhteensopivuutta. Tavoitteena oli, että suunnitellut komponentit tunnistavat toisensa mutta eivät sekoitu solun tavanomaiseen käännösjärjestelmään. Lisäksi synteettisten tRNA-kirjastojen aminohappolatausta seulottiin automatisoidusti. 6

Näin valitut kodonit voidaan yhdistää uusiin aminohappoihin, myös sellaisiin, joita solujen tavallinen proteiinisynteesi ei käytä. Kaikki tapahtuu tarkoituksella rakennetussa soluttomassa reaktiossa. Aiemmat rekonstruoidut järjestelmät olivat jo osoittaneet, että proteiineja voidaan valmistaa uudelleenjärjestellyllä koodilla ja laboratoriossa tuotetuilla tRNA-molekyyleillä. AGENTEX laajentaa tämän periaatteen rinnakkaiseksi ja automatisoiduksi prototyyppityökaluksi. 5

Raportoidussa kokonaisuudessa testattiin kahta vaihtoehtoista geneettistä koodia tavanomaisen koodin rinnalla. Kodeissa uudelleenmääriteltiin enintään kolme kodonia ja proteiineihin liitettiin epästandardeja aminohappoja. 8 Koska kukin järjestelmä rakennetaan omista yhteensopivista käännöskomponenteistaan, eri koodivaihtoehtoja voidaan vertailla samassa kokeellisessa kehyksessä ilman, että elävän genomin jokainen geeni pakotetaan uuteen tulkintaan.

Miksi robottiautomaatio on tärkeää?

Geneettinen koodi ei ole pelkkä taulukko. Jotta uudelleenmäärittely toimisi, tRNA:iden on tunnistettava oikeat kodonit, syntetaasien on ladattava niihin oikeat aminohapot ja ribosomin on käsiteltävä syntyvät kompleksit riittävän tarkasti ja tehokkaasti. Soluttomassa järjestelmässä näitä osia voidaan lisätä, poistaa ja vaihtaa yksi kerrallaan. 1516

AGENTEX tukee tämän ansiosta suunnittele–rakenna–testaa–vertaa-mallia:

1. Suunnitellaan ehdokasgeneettinen koodi ja sen toteuttamiseen tarvittavat komponentit.
2. Rakennetaan tRNA-, syntetaasi- ja ribosomiyhdistelmät soluttomaan reaktioon.
3. Testataan aminohappojen latautuminen, proteiinisynteesi ja valittujen aminohappojen liittyminen tuotteeseen.
4. Verrataan eri järjestelmien saantoa, tarkkuutta ja ortogonaalisuutta eli riippumattomuutta muusta käännöskoneistosta.
5. Viedään eteenpäin vain lupaavimmat ratkaisut vaativampiin solukokeisiin.

Käytännön hyöty on nopeus ja kokeiden laajuus. Epäonnistunut suunnitelma voidaan hylätä reaktiona, eikä sen vuoksi tarvitse rakentaa kokonaista epäonnistuvaa organismia. Toimivaa ratkaisua voidaan myös parantaa ennen genomin muokkaamista, uuden solukannan rakentamista ja soluissa tehtävää biologista validointia. 6

Mitä AGENTEX ei vielä ratkaise?

AGENTEX osoittaa soluttoman käännösalustan, mutta se ei sellaisenaan tuota elinkelpoista organismia, joka pystyisi ylläpitämään, monistamaan ja säätelemään voimakkaasti uudistettua geneettistä koodia.

Koodin siirtäminen eläviin soluihin vaatisi edelleen muun muassa seuraavia ratkaisuja:

• Genomin yhteensopivuus: Uudelleenmääritellyt kodonit pitäisi ehkä poistaa tai korvata koko genomista, jotta solun omat proteiinit eivät kääntyisi väärin.
• Komponenttien hallinta: Muokattujen tRNA:iden, syntetaasien ja mahdollisesti ribosomien pitäisi toimia luotettavasti solun oman koneiston rinnalla tai sen sijasta.
• Aminohappojen saatavuus: Solun pitäisi saada tai valmistaa jokainen epästandardi aminohappo ja ohjata se oikeaan käännösreittiin.
• Valikoiva lataus: Syntetaasien pitäisi liittää oikea aminohappo oikeaan tRNA:han ilman haitallisia ristireaktioita. 5
• Suorituskyky: Järjestelmän pitäisi säilyttää riittävä proteiinintuotto, tarkkuus, kasvu ja periytyvyys pitkällä aikavälillä.

Aiemmat solututkimukset havainnollistavat tehtävän mittakaavaa. Eräässä tuoreessa nisäkässolujärjestelmässä raportoitiin enintään viiden erilaisen synteettisen aminohapon liittäminen samaan proteiiniin harvinaisia kodoneja uudelleen hyödyntämällä. 4 Se on merkittävä solutason saavutus, mutta eri asia kuin vakaan, itsenäisesti lisääntyvän organismin osoittaminen täydellä AGENTEX-tyyppisellä 34 aminohapon suunnitelmalla. Annettu aineisto ei osoita, että tällainen organismi olisi rakennettu.

Mihin teknologiaa voitaisiin käyttää?

Laajempi kemiallinen kirjasto proteiinisuunnitteluun

Luonnolliset proteiinit rakennetaan suhteellisen pienestä aminohappojoukosta. Laajemmat geneettiset koodit voisivat avata tutkijoille kemiallisia ryhmiä, sivuketjuja ja runkorakenteita, joita tavallinen solujen proteiinisynteesi ei tarjoa. AGENTEXin yhteydessä mainitaan erityisesti peptidibiopolymeerien valmistus ja geneettisten koodien tilaustyönä tehtävä prototypointi. 6

Uudet lääkeaihioiden lähteet

Epästandardit aminohapot voivat muuttaa esimerkiksi molekyylien reaktiivisuutta, vakautta tai mahdollisuuksia hallittuun liittämiseen. AGENTEX voisi helpottaa monien molekyylivaihtoehtojen seulomista tutkimuksen varhaisessa vaiheessa. Tämä on kuitenkin löytämiseen ja suunnitteluun liittyvä etu, ei näyttö siitä, että jokin AGENTEX-tuote olisi jo lääke. Mahdollinen lääkekäyttö vaatisi tavalliset teho-, turvallisuus-, kuljetus- ja valmistustutkimukset.

Ohjelmoitavat biomateriaalit

Ribosomien avulla molekyylien sekvenssiä voidaan hallita tarkasti. Kun tähän yhdistetään laajempi valikoima kemiallisia rakennuspalikoita, voidaan etsiä biomateriaaleja, joilla on uusia sitoutumis-, katalyyttisiä, optisia, mekaanisia tai itsejärjestäytyviä ominaisuuksia. Soluttomilla järjestelmillä on jo valmistettu aktiivisia proteiineja uudelleenjärjestellyillä koodeilla. 5

Mahdollinen askel kohti geneettistä eristämistä

Riittävän erilainen geneettinen koodi voisi tulevaisuudessa vaikeuttaa toimivan perimätiedon vaihtumista muokattujen ja luonnollisten organismien välillä tai tehdä tavallisista biologisista loisista tehottomampia. AGENTEX ei osoita tätä lopputulosta. Sen lähiajan merkitys on siinä, että tutkijat voivat vertailla vaihtoehtoisia, toisistaan riippumattomia koodeja ennen paljon vaikeampaa tehtävää eli yhden niistä asentamista elävään ja lisääntyvään järjestelmään.

Miten AGENTEX eroaa aiemmista menetelmistä?

Perinteisessä geneettisen koodin laajentamisessa on usein annettu yhdelle epästandardille aminohapolle stop-kodonin merkitys tai vapautettu pieni määrä kodoneja laajojen genomimuokkausten avulla. Aiempi työ on yltänyt myös 68 kodonin järjestelmään, jossa yhteen proteiiniin voitiin liittää neljä erilaista epästandardia aminohappoa. Soluttomissa kokeissa on puolestaan rakennettu muun muassa kodoneja vaihtavia tai yksinkertaistettuja koodeja muokatuilla ja laboratoriossa tuotetuilla tRNA:illa. 35

AGENTEXin omaleimainen panos onkin ennen kaikkea työnkulku, ei pelkkä aminohappojen lukumäärä. Se tarjoaa automatisoidun ja rinnakkaisen prototyyppikerroksen teoreettisen geneettisen koodin ja elävän organismin väliin. Tämä voi paljastaa yhteensopivuusongelmat aikaisemmin, vähentää hukkaan menevää työtä ja kasvattaa niiden koodirakenteiden määrää, joita tutkijat pystyvät käytännössä vertailemaan.

Rajoitus on silti syytä pitää kirkkaana mielessä: AGENTEX tekee vaihtoehtoisista geneettisistä koodeista helpompia prototyyppejä, mutta se ei poista niiden käyttämisen biologisia ja teknisiä ongelmia elävissä soluissa.