انقلاب در مهندسی پروتئین: ابداع روش “بسط کدون RNA” برای برنامهریزی پروتئینها با اسیدهای آمینه غیرمتعارف
در دنیای شگفتانگیز زیستشناسی مولکولی، توانایی سفارشیسازی پروتئینها برای بهینهسازی یا تغییر عملکردهایشان، رویایی دیرینه برای دانشمندان بوده است. یکی از قدرتمندترین راهها برای دستیابی به این هدف، استفاده از اسیدهای آمینه غیرمتعارف (non-canonical amino acids – ncAAs) است. این اسیدهای آمینه، که به طور طبیعی در پروتئینها یافت نمیشوند، میتوانند خواص جدیدی مانند قابلیت اتصال به مولکولهای خاص، فلورسانس یا حتی خواص کاتالیزوری را به پروتئینها اضافه کنند.
تا پیش از این، رویکرد اصلی برای وارد کردن ncAAs به پروتئینها، بسط کد ژنتیکی (genetic code expansion) بود. این روش شامل باز تخصیص (reassigning) کدونهای توقف (stop codons) به عنوان “کدونهای خالی” برای رمزگذاری ncAAs است. با این حال، این روش کاملاً “ارتوگونال” (یعنی مستقل و بدون تداخل) با فرآیند خاتمه ترجمه برای رونوشتهای سلولی نیست و ممکن است منجر به درج ناخواسته ncAAs در پروتئینهایی شود که نباید این اسیدهای آمینه را داشته باشند.
در مواجهه با این چالش، تیمی از پژوهشگران با رویکردی بسیار نوآورانه، سیستمی جدید به نام استراتژی بسط کدون RNA (RNA codon-expansion – RCE) را توسعه دادهاند. این روش پیشگامانه، با معرفی و رمزگشایی کدونهای سودواوریدین (pseudouridine – Ψ) که به صورت زیستارتوگونال قابل تخصیص هستند (ΨGA، ΨAA یا ΨAG)، امکان وارد کردن ncAAs را در رونوشتهای mRNA مشخص در سلولهای پستانداران فراهم میآورد. این دستاورد، مسیر جدیدی را برای بسط الفبای ژنتیکی و درج ncAAs در نقاط خاص در سلولهای یوکاریوتی باز میکند.
کینپرولا چگونه کار میکند؟ اجزا و مکانیسم عمل
استراتژی RCE یک سیستم چند جزئی است که شامل عناصر زیر میشود:
یک RNA راهنما (guide RNA) قابل برنامهریزی: این RNA، مسئول شناسایی و نشانه گذاری رونوشتهای mRNA خاصی است که قرار است ncAAs در آنها درج شوند.
یک tRNA رمزگشا (decoder tRNA) مهندسیشده: این tRNA به طور اختصاصی برای شناسایی کدونهای سودواوریدین طراحی شده و اسید آمینه غیرمتعارف مورد نظر را به ریبوزوم منتقل میکند.
یک آمینواسیل-tRNA سنتتاز (aminoacyl-tRNA synthetase) اختصاصی: این آنزیم، مسؤول اتصال صحیح ncAA به tRNA رمزگشا است.
پژوهشگران ابتدا سیستم RCE(ΨGA) را توسعه دادند که ncAAs عملکردی را از طریق کدون ΨGA به پروتئینها وارد میکند. این سیستم، در مقایسه با سیستم بسط کد ژنتیکی رایج، ویژگی بالاتری را در سطح کل ترانسلاتوم (مجموعه RNAهای ترجمه شده) و پروتئوم (مجموعه پروتئینها) نشان داد. این یعنی RCE(ΨGA) با دقت بیشتری عمل میکند و از درج ناخواسته ncAAs در سایر پروتئینها جلوگیری میکند.
گسترش استراتژی: کدونهای Ψ متعدد و همکاری با روشهای موجود
پس از موفقیت با RCE(ΨGA)، این گروه تحقیقاتی استراتژی خود را بیشتر گسترش دادند و سیستمهای RCE(ΨAA) و RCE(ΨAG) را نیز تولید کردند. هر سه جفت کدون Ψ : (کدون Ψ)-tRNAPyl، ارتوگونالیتی متقابل را نشان دادند. به این معنی که هر tRNA رمزگشا، فقط کدون سودواوریدین خاص خود را شناسایی و رمزگشایی میکند و با سایر کدونها یا tRNAها تداخل ندارد. این ویژگی، انعطافپذیری و دقت سیستم را به طرز چشمگیری افزایش میدهد.
علاوه بر این، پژوهشگران نشان دادند که سیستم RCE میتواند به طور سازگارانه با استراتژی بسط کد ژنتیکی همکاری کند تا امکان رمزگذاری دو ncAA به طور همزمان در یک پروتئین واحد فراهم شود. این قابلیت، سطح جدیدی از پیچیدگی و سفارشیسازی را در مهندسی پروتئین امکانپذیر میسازد و به محققان اجازه میدهد تا پروتئینهایی با عملکردهای چندگانه یا کنترلپذیری پیچیدهتر را طراحی کنند.
نتیجهگیری: نامهای جدید در الفبای ژنتیکی
به طور خلاصه، روش RCE از سودواوریدین (Ψ) به عنوان یک “حرف” پسارونویسی (post-transcriptional) استفاده میکند تا کدونهای RNA را در رونوشتهای mRNA مشخص، رمزگذاری و رمزگشایی کند. این نوآوری، یک مسیر کاملاً جدید را برای بسط الفبای ژنتیکی و درج ncAAs در نقاط خاص در سلولهای یوکاریوتی باز میکند.
این دستاورد نه تنها ابزاری قدرتمندتر و دقیقتر را در اختیار مهندسان پروتئین قرار میدهد، بلکه درک ما از انعطافپذیری و پتانسیل کد ژنتیکی را نیز عمیقتر میکند. با قابلیت برنامهریزی پروتئینها با ویژگیهای دلخواه، روش RCE میتواند کاربردهای وسیعی در زمینههای مختلف، از تولید داروهای جدید و واکسنها گرفته تا توسعه بیوسنسورهای پیشرفته و تحقیقات بنیادی در مورد عملکرد پروتئینها، داشته باشد. این گام بلند، واقعاً یک انقلاب در زمینه مهندسی پروتئین به شمار میرود.
منبع :
RNA codon expansion via programmable pseudouridine editing and decoding