AGENTEX משנה את כללי המשחק בקוד הגנטי — בלי לשנות תא אחד

הקוד הגנטי נחשב לעיתים קרובות למעין מילון קבוע של החיים: רצפים קצרים ב־RNA שליח, המכונים קודונים, מורים למערכת התרגום איזו חומצת אמינו לשלב בחלבון. אבל המילון הזה אינו חייב להיות קבוע. AGENTEX — ראשי תיבות של Automated Genetic tRNA Expansion — מציעה דרך לבדוק גרסאות חדשות שלו במערכת נטולת תאים, לפני שמנסים להחדיר אותן לאורגניזם חי. 6

העבודה מדווחת על מערכות תרגום שעשויות להשתמש בעד 34 אבני בניין של חומצות אמינו, לעומת 20 החומצות שבקוד הביולוגי הסטנדרטי. 7 החידוש אינו הגדלת מספר הקודונים מעבר ל־64, אלא הפיכת חלק גדול יותר מהם לשימושיים בהקצאות חלופיות.

הבעיה: שינוי קודון בתוך תא חי עלול לשבש את כולו

הקוד הגנטי הסטנדרטי ממפה 64 קודונים אפשריים — רצפים בני שלושה בסיסים — ל־20 חומצות אמינו ולסימני התחלה וסיום. מכיוון שמספר הקודונים גדול ממספר התוצרים, כמה קודונים שונים מייצגים את אותה חומצת אמינו. הכפילות הזו יוצרת הזדמנויות להקצאה מחדש.

אלא שבתוך תא חי, לקודון מסוים עשויות להיות הופעות רבות בגנים חיוניים. אם משנים את משמעותו, אותו שינוי עלול לגרום לתרגום שגוי של חלבונים רבים. לכן הנדסה תאית עשויה לדרוש הסרה או החלפה של כל מופעי הקודון בגנום, וכן מניעה של התחרות מצד מערכת התרגום הטבעית.

AGENTEX עוקפת את הסיכון הראשוני הזה באמצעות ניסוי מחוץ לתא. החוקרים מרכיבים במבחנה אוסף מותאם של רכיבי תרגום, ובודקים אם מפת קודון–חומצת אמינו מסוימת אכן מייצרת את החלבון או הפפטיד הרצוי — לפני שהם מתחייבים לעריכת גנום בהיקף מלא. 615

איך יוצרים קוד גנטי חלופי?

פענוח של קודון תלוי בשיתוף פעולה בין RNA שליח, מולקולת tRNA ומכונת התרגום. מולקולת ה־tRNA מזהה את הקודון, ואנזים ייעודי — aminoacyl-tRNA synthetase, או aaRS — טוען אותה בחומצת האמינו המתאימה.

AGENTEX מתמקדת בהנדסת הקשרים האלה במקום להתייחס לקוד הטבעי כאל עובדה שאי אפשר לשנות. במסגרת העבודה נבדקו ריבוזומים, מולקולות tRNA ואנזימי aaRS מהונדסים, במטרה לוודא שהם מזהים זה את זה אך נשארים נפרדים ככל האפשר ממערכת התרגום הסטנדרטית. החוקרים גם השתמשו בשיטות אוטומטיות לסריקת ספריות של tRNA סינתטיים ובדיקת הטעינה שלהם בחומצות אמינו. 6

כך אפשר להקצות קודונים נבחרים לחומצות אמינו אחרות, כולל חומצות אמינו שאינן חלק מהקוד הטבעי, בתוך תגובת תרגום שנבנתה מראש במבחנה. מערכות נטולות תאים המבוססות על tRNA שיוצר בתעתיק in vitro כבר הדגימו שניתן לייצר חלבונים פעילים לפי קודים גנטיים מפושטים או מעוצבים מחדש. AGENTEX מרחיבה את העיקרון הזה לתהליך אוטומטי ורב־מערכתי של אבטיפוס. 5

הדיווח מתאר שתי מערכות קוד חלופיות שנבדקו לצד הקוד הסטנדרטי, עם הקצאה מחדש של עד שלושה קודונים ושילוב חומצות אמינו לא־סטנדרטיות. 8 מאחר שכל מערכת מורכבת מרכיבי תרגום תואמים משלה, ניתן להשוות בין כמה עיצובים במסגרת ניסויית אחת בלי לכפות פרשנות חדשה על גנום חי.

למה הרובוטים חשובים?

קוד גנטי אינו רק טבלה. כדי שהקצאה חדשה תעבוד, ה־tRNA צריך לזהות את הקודון המתאים, אנזים ה־aaRS צריך לטעון אותו בחומצת האמינו הנכונה, והריבוזום צריך לקבל את המכלול בדיוק וביעילות מספקות. במערכת נטולת תאים אפשר להוסיף, להסיר או להחליף כל אחד מהרכיבים האלה בנפרד. 1516

לכן AGENTEX תומכת במחזור עבודה של תכנון, בנייה ובדיקה:

1. מתכננים טבלת קודונים ואת רכיבי התרגום הדרושים לה.
2. מרכיבים במבחנה שילובים של tRNA, אנזימי aaRS וריבוזומים.
3. בודקים טעינת tRNA, תרגום ושילוב של חומצות האמינו שנבחרו.
4. משווים בין המערכות לפי תפוקה, דיוק והפרדה ממערכת התרגום הטבעית.
5. מקדמים רק את העיצובים המבטיחים לניסויים ביולוגיים מורכבים יותר.

היתרון המעשי הוא שאפשר לפסול עיצוב כושל כתגובה כימית שלא עבדה, במקום להשקיע בבניית אורגניזם שלם ואז לגלות שהמערכת אינה יציבה. עיצוב מוצלח ניתן לשיפור לפני עריכת גנום, בניית זן ואימות בתוך תאים. 6

מה AGENTEX עדיין לא פתרה?

AGENTEX מדגימה פלטפורמת תרגום in vitro. היא אינה יוצרת בעצמה תא חי שמסוגל לתחזק, לשכפל, לווסת ולהוריש קוד גנטי שעבר שינוי נרחב.

כדי להעביר קוד כזה לתאים יידרשו עדיין כמה פריצות דרך:

• תאימות לגנום: ייתכן שיהיה צורך להסיר או להחליף קודונים שהוקצו מחדש בכל רחבי הגנום, כדי למנוע תרגום שגוי של חלבונים טבעיים.
• שליטה ברכיבים: tRNA, אנזימי aaRS וריבוזומים מהונדסים צריכים לפעול באופן אמין לצד — או במקום — מערכת התרגום הטבעית.
• זמינות חומצות האמינו: התא צריך לקלוט או לייצר כל חומצת אמינו לא־סטנדרטית ולהעביר אותה למסלול התרגום הנכון.
• טעינה בררנית: האנזימים צריכים לטעון את חומצת האמינו הרצויה על ה־tRNA הרצוי, בלי תגובות צולבות לא מתוכננות. 5
• ביצועים ויציבות: המערכת צריכה לשמור על תפוקת חלבון, דיוק, גדילה והורשה לאורך זמן.

מחקרים תאיים קודמים ממחישים את גודל האתגר. מערכת אחת בתאי יונקים דיווחה על שילוב של עד חמש חומצות אמינו סינתטיות שונות באותו חלבון, באמצעות שימוש מחדש בקודונים נדירים. 4 זו תוצאה תאית משמעותית, אך היא אינה זהה ליצירת אורגניזם יציב ומתרבה שמשתמש במלוא העיצוב של AGENTEX, הכולל 34 חומצות אמינו. החומר שסופק אינו מוכיח שאורגניזם כזה כבר נבנה.

מה הטכנולוגיה עשויה לאפשר?

חלבונים עם ארגז כלים כימי רחב יותר

חלבונים טבעיים נבנים ממספר מצומצם יחסית של אבני בניין. קודים גנטיים גמישים יותר עשויים לאפשר יצירת חלבונים ופולימרים פפטידיים עם קבוצות כימיות, שרשראות צד או מבנים של שלד שאינם זמינים בתרגום רגיל. הדיווח על AGENTEX קושר את הפלטפורמה לסינתזה של פולימרים פפטידיים ולאב־טיפוס לפי דרישה של קודים גנטיים. 6

מועמדים חדשים לגילוי תרופות

חומצות אמינו לא־סטנדרטיות עשויות להעניק למולקולות תכונות כמו תגובתיות, יציבות או אפשרויות חדשות להצמדה מבוקרת. AGENTEX עשויה להקל על סריקה מוקדמת של עיצובים מולקולריים רבים. עם זאת, מדובר ביתרון בשלב הגילוי וההנדסה — לא בהוכחה שתרופה המבוססת על AGENTEX כבר קיימת. כל שימוש רפואי ידרוש בדיקות מקובלות של יעילות, בטיחות, אספקה וייצור.

חומרים ביולוגיים מתוכנתים

סינתזה ריבוזומלית מעניקה שליטה ברצף. שילוב השליטה הזו עם מגוון רחב יותר של אבני בניין כימיות עשוי לאפשר חומרים ביולוגיים בעלי תכונות חדשות של קישור, קטליזה, אופטיקה, מכניקה או הרכבה עצמית. מערכות נטולות תאים כבר שימשו לייצור חלבונים פעילים תחת הקצאות קוד מעוצבות מחדש, ומספקות בסיס לכיוון הזה. 5

צעד בדרך לבידוד גנטי

קוד גנטי שונה במידה מספקת עשוי בעתיד להקשות על אורגניזמים מהונדסים להחליף מידע גנטי תפקודי עם אורגניזמים טבעיים, או להקשות על טפילים ביולוגיים רגילים לנצל אותם. AGENTEX אינה מדגימה את התוצאה הזו. התרומה המיידית שלה היא האפשרות להשוות בין קודים אורתוגונליים — כלומר, מערכות שאמורות לפעול זו לצד זו בלי להתערבב — לפני שמנסים להתקין אחד מהם ביצור חי ומתרבה.

במה היא שונה מהגישות הקודמות?

הרחבת הקוד הגנטי נעשתה בעבר לעיתים קרובות באמצעות הקצאת חומצת אמינו לא־סטנדרטית לקודון עצירה, או באמצעות שחרור מספר קטן של קודונים לאחר עריכות נרחבות בגנום. מחקרים אחרים הציגו עיצובים רחבים יותר, בהם מערכת בת 68 קודונים ששילבה ארבע חומצות אמינו לא־קנוניות שונות באותו חלבון. מחקרי in vitro הראו גם שניתן להחליף או לפשט קודים באמצעות tRNA מהונדס או tRNA שנוצר בתעתיק. 35

לכן התרומה הייחודית של AGENTEX היא לא רק מספר חומצות האמינו, אלא בעיקר שיטת העבודה: אב־טיפוס רובוטי, אוטומטי ורב־מערכתי של מכונות תרגום, עוד לפני שינוי של תא חי. הפלטפורמה מוסיפה שכבת סינון בין רעיון תאורטי לקוד גנטי לבין אורגניזם אמיתי — שכבה שעשויה לחשוף אי־התאמות מוקדם יותר, לצמצם השקעה בעיצובים כושלים ולהרחיב את מספר הארכיטקטורות שניתן לבדוק.

הסייג המרכזי חשוב לא פחות מההבטחה: AGENTEX הופכת קודים גנטיים חלופיים לקלים יותר לאב־טיפוס, אך אינה מעלימה את הבעיות הביולוגיות וההנדסיות של הפעלתם בתוך תאים.