AGENTEX Uji Kod Genetik Baharu Tanpa Mengubah Satu Sel Pun

AGENTEX, singkatan bagi Automated Genetic tRNA Expansion, mengubah susunan kerja dalam kejuruteraan kod genetik. Biasanya, saintis perlu menyunting genom sesuatu organisma terlebih dahulu sebelum dapat mengetahui sama ada sistem terjemahan yang baharu itu berfungsi. Dengan AGENTEX, calon sistem terjemahan boleh dipasang di luar sel, diuji secara robotik dan hanya reka bentuk yang paling menjanjikan dibawa ke peringkat kejuruteraan dalam sel. 6

Kerja yang dilaporkan ini menyokong sistem terjemahan yang boleh menggunakan sehingga 34 bahan binaan asid amino, berbanding 20 asid amino yang digunakan oleh kod biologi standard. 7 Kemajuan utamanya bukanlah menambah jumlah kodon melebihi 64, sebaliknya menjadikan lebih banyak kodon itu boleh digunakan untuk tugasan baharu.

Had kod genetik standard

Kod genetik standard memetakan 64 kodon—iaitu urutan tiga huruf dalam RNA utusan—kepada asid amino serta isyarat mula dan henti. Oleh sebab beberapa kodon memberikan arahan yang sama, kod genetik ini mempunyai lebihan yang boleh dimanfaatkan untuk penugasan semula.

Namun, menukar maksud sesuatu kodon dalam sel hidup boleh membawa risiko besar. Kodon yang sama mungkin muncul dalam ribuan gen penting. Jika ia ditugaskan kepada asid amino lain, banyak protein asal boleh diterjemahkan secara salah. Oleh itu, pendekatan berasaskan sel lazimnya memerlukan penggantian atau pembuangan semua salinan kodon berkenaan daripada genom, selain menghalang mesin terjemahan semula jadi daripada bersaing dengan sistem yang direka bentuk.

AGENTEX memindahkan eksperimen awal itu ke luar sel. Penyelidik boleh menyediakan gabungan komponen terjemahan tersuai dan menguji sama ada peta kodon-ke-asid amino tertentu menghasilkan protein atau peptida yang dikehendaki—sebelum melakukan pengubahsuaian genom pada skala besar. 615

Bagaimana kod yang direka semula berfungsi

Sesuatu kodon ditafsirkan melalui interaksi antara RNA utusan, RNA pemindah atau tRNA, dan mesin terjemahan. AGENTEX memberi tumpuan kepada kejuruteraan hubungan molekul ini, bukannya menganggap kod semula jadi sebagai sesuatu yang tidak boleh diubah.

Platform ini menguji ribosom, tRNA dan aminoasil-tRNA sintetase (aaRS)—enzim yang memuatkan asid amino ke atas tRNA—untuk memastikan komponen tersebut saling mengenali, tetapi kekal terasing daripada sistem terjemahan standard. Ia turut menggunakan kaedah automatik untuk menapis perpustakaan tRNA sintetik dan melihat tRNA mana yang boleh dimuatkan dengan asid amino yang betul. 6

Dengan cara ini, kodon terpilih boleh diberikan kepada asid amino lain, termasuk asid amino bukan standard, dalam tindak balas bebas sel yang dibina semula secara sengaja. Kajian terdahulu menggunakan tRNA yang ditranskripsikan secara in vitro sudah menunjukkan bahawa terjemahan protein boleh berjalan menggunakan susunan kod yang direka semula; AGENTEX memperluas prinsip tersebut menjadi aliran kerja prototaip yang automatik dan boleh menjalankan banyak ujian serentak. 5

Bahan yang dibekalkan melaporkan dua kod genetik yang direka semula dan diuji bersama kod standard, dengan penugasan semula sehingga tiga kodon serta penggabungan asid amino bukan standard. 8 Oleh sebab setiap sistem alternatif dibina daripada komponen terjemahan yang serasi antara satu sama lain, beberapa reka bentuk kod boleh dinilai dalam rangka kerja eksperimen yang sama tanpa memaksa satu tafsiran baharu ke atas genom organisma hidup.

Mengapa automasi penting

Kod genetik bukan sekadar jadual penukaran kodon kepada asid amino. Untuk sesuatu penugasan semula berfungsi, tRNA mesti mengenali kodon yang betul, aaRS mesti memuatkan asid amino yang tepat ke atas tRNA berkenaan, dan ribosom perlu menerima kompleks tersebut dengan ketepatan serta kecekapan yang mencukupi. Sistem terjemahan bebas sel membolehkan setiap komponen dibekalkan, dikeluarkan atau ditukar secara berasingan. 1516

AGENTEX menggunakan kawalan ini untuk membentuk kitaran reka-bina-uji:

1. Reka bentuk jadual kodon dan komponen terjemahan yang diperlukan.
2. Bina gabungan tRNA, aaRS dan ribosom dalam tindak balas bebas sel.
3. Uji pemuatan asid amino pada tRNA, terjemahan dan penggabungan asid amino terpilih.
4. Bandingkan hasil, ketepatan dan tahap pengasingan setiap sistem daripada sistem standard.
5. Pilih hanya reka bentuk paling baik untuk dibawa ke eksperimen biologi yang lebih mencabar.

Kelebihan praktikalnya ialah kelajuan dan skala. Reka bentuk yang gagal boleh dihentikan sebagai satu tindak balas makmal, bukannya menjadi projek pembinaan organisma yang gagal. Reka bentuk yang berjaya pula boleh diperhalus sebelum penyelidik melaksanakan penyuntingan genom, membina strain dan melakukan pengesahan dalam sel. 6

Apa yang masih belum diselesaikan

AGENTEX menunjukkan bahawa platform terjemahan boleh berfungsi in vitro. Ia belum menghasilkan organisma hidup yang mampu mengekalkan, menggandakan dan mengawal kod genetik yang diubah secara besar-besaran.

Untuk memindahkan kod tersebut ke dalam sel, beberapa cabaran masih perlu diatasi:

• Keserasian seluruh genom: Kodon yang ditugaskan semula mungkin perlu dibuang atau digantikan di seluruh genom supaya protein semula jadi tidak diterjemahkan secara salah.
• Kawalan komponen: tRNA, aaRS dan mungkin ribosom yang direka bentuk perlu berfungsi dengan stabil bersama—atau menggantikan—mesin terjemahan asal sel.
• Bekalan asid amino: Sel perlu mendapatkan atau menghasilkan setiap asid amino bukan standard dan menghantarnya ke laluan terjemahan yang betul.
• Pemuatan terpilih: aaRS mesti memuatkan asid amino yang dikehendaki ke atas tRNA yang betul, sambil mengelakkan tindak balas silang yang tidak diingini. 5
• Prestasi jangka panjang: Sistem baharu perlu mengekalkan hasil protein, ketepatan, pertumbuhan dan pewarisan yang mencukupi dari semasa ke semasa.

Kajian dalam sel sebelum ini menunjukkan betapa besarnya cabaran tersebut. Satu sistem mamalia baru-baru ini melaporkan penggabungan sehingga lima asid amino sintetik berbeza ke dalam satu protein dengan menggunakan semula kodon yang jarang digunakan. 4 Itu ialah pencapaian penting dalam sel, tetapi ia berbeza daripada menghasilkan organisma yang stabil dan boleh membiak sendiri menggunakan reka bentuk 34 asid amino ala AGENTEX. Bahan yang dibekalkan tidak membuktikan bahawa organisma sedemikian telah dibina.

Potensi penggunaan AGENTEX

Abjad kimia lebih besar untuk kejuruteraan protein

Protein semula jadi dibina daripada set bahan asas asid amino yang agak kecil. Kod yang lebih fleksibel boleh membantu penyelidik meneroka protein dan biopolimer peptida yang mengandungi kumpulan kimia, rantai sisi atau struktur tulang belakang yang tidak tersedia melalui terjemahan biasa. Laporan AGENTEX mengaitkan platform ini dengan sintesis biopolimer peptida dan prototaip kod genetik mengikut keperluan. 6

Calon baharu untuk pembangunan ubat

Asid amino bukan standard boleh memberikan ciri yang berguna dalam penemuan ubat, seperti kereaktifan atau kestabilan yang berbeza, serta peluang untuk mengikat molekul lain secara terkawal. AGENTEX berpotensi memudahkan penapisan banyak reka bentuk molekul pada peringkat awal.

Namun, ini ialah kelebihan untuk penemuan dan kejuruteraan—bukan bukti bahawa produk AGENTEX tertentu sudah menjadi ubat. Sebarang penggunaan terapeutik tetap memerlukan pengesahan biasa dari segi keberkesanan, keselamatan, penghantaran dan pembuatan.

Bahan dengan ciri boleh diprogram

Sintesis melalui ribosom memberikan kawalan pada tahap urutan. Jika kawalan ini digabungkan dengan set bahan binaan kimia yang lebih luas, penyelidik boleh meneroka biomaterial dengan ciri pengikatan, pemangkinan, optik, mekanikal atau pemasangan sendiri yang baharu. Sistem bebas sel sebelum ini sudah digunakan untuk menghasilkan protein aktif menggunakan susunan kod yang direka semula, sekali gus menyediakan asas untuk eksperimen sebegini. 5

Langkah awal ke arah pengasingan genetik

Kod genetik yang cukup berbeza secara teori boleh menyukarkan organisma kejuruteraan bertukar maklumat genetik berfungsi dengan organisma semula jadi, atau menyukarkan parasit biologi biasa menggunakannya. AGENTEX belum menunjukkan hasil tersebut. Sumbangan terdekatnya ialah membolehkan penyelidik membandingkan calon kod ortogon sebelum berusaha memasang satu daripadanya ke dalam sistem hidup yang boleh membiak.

Perbandingan dengan pendekatan terdahulu

Pengembangan kod genetik secara tradisional sering bermula dengan memberikan satu asid amino bukan standard kepada kodon henti, atau membebaskan sebilangan kecil kodon melalui penyuntingan genom yang meluas. Kajian lain telah menghasilkan reka bentuk yang lebih besar, termasuk sistem 68-kodon yang mampu menggabungkan empat asid amino bukan kanonik berbeza ke dalam satu protein. Penyelidikan bebas sel juga pernah menghasilkan kod yang ditukar atau dipermudah menggunakan tRNA yang direka bentuk atau ditranskripsikan secara in vitro. 35

Jadi, sumbangan unik AGENTEX bukan hanya jumlah asid amino yang dicapai, tetapi juga aliran kerjanya: prototaip sistem terjemahan secara automatik dan serentak sebelum pengekodan semula dalam sel. Ia mewujudkan satu lapisan saringan antara reka bentuk kod genetik secara teori dengan organisma hidup.

Lapisan ini boleh mengurangkan pembaziran masa, mendedahkan ketidakserasian lebih awal dan memperluas jumlah seni bina kod yang boleh diuji. Namun, batasannya juga jelas: AGENTEX menjadikan kod genetik alternatif lebih mudah diprototaipkan, tetapi tidak menghapuskan masalah biologi dan kejuruteraan untuk mengoperasikannya di dalam sel.