Alfabeto de ADN de seis letras produce proteínas en las células

ADAPTADO DE UNA IMAGEN POR DENNIS SUN, MEZARQUE DESIGNA Un par de bases sintéticas, reportado por primera vez en 2014, ahora no solo puede replicarse dentro de las células vivas, sino también codificar y producir proteínas que contienen aminoácidos atípicos, según un informe publicado en Nature hoy (29 de noviembre). Este avance de prueba de principio ahora prepara el escenario para que los bioquímicos generen proteínas con formas y funciones completamente nuevas a aquellas que pueden ser creadas por organismos naturales, dicen los autores.

“Qué artículo tan hermoso, ” dice el ingeniero químico y biológico Michael Jewett de la Universidad Northwestern, quien no participó en el estudio. «Lo que tiene de especial el trabajo es que los autores han capturado todo el flujo de información del dogma central: almacenamiento de información, recuperación y, en última instancia, traducción a un resultado funcional, utilizando este alfabeto genético expandido».

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A partir de ese momento, explica Romesberg, la ambición del equipo era lograr que las moléculas funcionaran con polimerasas y con ribosomas, en una célula, es decir, trabajar con la maquinaria celular que transcribe el ADN en ARN y traduce el ARN. en proteína. Ahora, esa ambición se ha logrado.

Primero, los investigadores introdujeron el par de bases artificiales, XY, en el gen de la proteína fluorescente verde (GFP) cambiando un codón en una parte no crítica del gen de TAC (que codifica el aminoácido tirosina) a AXC. A continuación, crearon un ARN de transferencia que contenía el anticodón correspondiente, GYT, y que llevaba un aminoácido no canónico llamado PrKa, un aminoácido proporcionado por el investigador que rara vez se encuentra en proteínas naturales. Luego, el equipo expresó estos dos genes dentro de bacterias especializadas que respaldan la retención de nucleótidos sintéticos dentro de su ADN llamados organismos semisintéticos. He aquí que los microbios produjeron proteínas GFP que contenían el aminoácido no estándar.

Cada proteína producida en cualquier célula viva ha sido producida mediante la decodificación de un alfabeto de cuatro letras. Ahora hemos informado sobre la decodificación de proteínas con un alfabeto de seis letras. . . . Eso todavía hace que se me erice el vello de la nuca. Floyd Romesberg, The Scripps Research Institute

Es una hazaña de ingeniería, dice el biólogo y bioquímico Eugene Wu de la Universidad de Richmond en Virginia. que no participó en la investigación.

Es una sorpresa que todo funcione tan bien, agrega el químico biológico Nigel Richards de la Universidad de Cardiff en el Reino Unido Es un sistema tan complicado y hay tantos lugares donde podría haber fallado .

Pero no fue así. El equipo continuó demostrando que la transcripción y la traducción podrían ocurrir con un codón sintético alternativo GXC y dar como resultado la inclusión de otro aminoácido no canónico llamado pAzF. Utilizaron varios ensayos, incluida la espectrometría de masas y la química de clics, para confirmar la presencia de los aminoácidos no canónicos dentro de las proteínas.

El par de bases XY artificial se forma a través de la atracción hidrofóbica entre los dos elementos, en lugar de que los enlaces de hidrógeno, que normalmente forman las conexiones entre los pares de bases naturales de Watson y Crick. Pero, por lo demás, los nucleótidos X e Y son similares y comparten la composición de base de fosfato de azúcar de los nucleótidos normales.

Es realmente interesante que no necesite enlaces de hidrógeno para controlar la transferencia de información, dice Richards.

> Lo que me dice, dice Wu, es que ser capaz de aproximar la forma de los pares de bases es suficiente.

Sin embargo, la química de emparejamiento inusual probablemente limita la cantidad de tales pares de bases artificiales que podrían incluirse en una molécula de ADN, dice Richards. Obtiene distorsiones en la hélice donde ocurren estos pares de bases, explica. Por lo tanto, se puede acomodar un solo par de bases porque los pares de bases de Watson y Crick que lo rodean casi con seguridad lo compensan. . . . Pero si tuviera tres seguidos, ahora no está tan claro que podría mantener la estructura helicoidal, o que las enzimas realmente funcionarían.

Otros investigadores, incluido Steven Benner de la Fundación para Molecular Aplicada Evolution en Florida, han creado varios pares de bases novedosos que utilizan enlaces de hidrógeno. Estos se integran en el ADN sin alterar la doble hélice y pueden estar presentes en el ADN en tramos largos. Sin embargo, hasta el momento, estos nucleótidos solo son capaces de replicación, transcripción y traducción in vitro, explica Benner en un correo electrónico a The Scientist.

La aplicación más probable para los Romesberg artificiales par de bases es incorporar aminoácidos no naturales en partes específicas de las proteínas, dice Wu, lo que aumenta enormemente las posibilidades de que los bioquímicos creen proteínas con nuevas funciones. Tener un aminoácido único dentro de una proteína podría, por ejemplo, permitir la unión de un fármaco u otra molécula de interés a un punto específico de una proteína específica. Y para ese tipo de aplicaciones, las limitaciones del enlace hidrofóbico probablemente no importen, dice Richards.

En última instancia, los ingenieros de XY querían obtener moléculas que funcionaran en una célula. . . . Ese fue nuestro enfoque, dice Romesberg. Antes de este artículo, agrega, cada proteína producida en cualquier célula viva se producía mediante la decodificación de un alfabeto de cuatro letras. Ahora hemos informado sobre la decodificación de proteínas con un alfabeto de seis letras. . . . Eso todavía hace que se me erice el vello de la nuca.

Y. Zhang et al., Un organismo semisintético que almacena y recupera mayor información genética, Nature, doi:10.1038/nature24659, 2017.

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