Несуществующий в природе белок спас мутантных бактерий

Ученые продемонстрировали возможности поиска новых белков с заранее определенными функциями. Им удалось подобрать искусственную молекулу, которая восстановила синтез аминокислоты серина у бактерий, утерявших эту жизненно важную способность, — а затем выяснить, как она работает. Об исследовании авторы сообщают в журнале Proceedings of the National Academy of Science, о нем же рассказывает пресс-релиз Принстонского университета.
Новая статья увенчала многолетнюю серию работ, проведенных под руководством профессора-химика Майкла Хехта (Michael Hecht) и посвященных синтетической биологии. Главной целью этой сравнительно молодой области остается целенаправленное создание искусственных белков, способных выполнять заранее определенные функции в живых организмах и «в пробирке». Однако свойства и функции белков определяются их пространственной структурой и сочетанием 20-ти разных аминокислот в длинной — в сотни, а иногда и тысячи звеньев — цепочке. Это делает проектирование белков «с нуля» чрезвычайно сложной задачей.
Еще несколько лет назад Майкл Хехт и его коллеги провели поиск последовательностей аминокислот, способных формировать стабильную структуру из четырех спиралей. Не слишком сложная, она может служить основой для выполнения самых разных функций и весьма распространена в природе. Чтобы дополнительно упростить задачу, авторы учитывали лишь полярные или неполярные аминокислоты, которые вносят в формирование структуры белка главнейшую роль. Более того, моделирование не указывало на конкретную полярную или неполярную аминокислоту, и давало лишь подходящие их сочетания.
Впоследствии ученые синтезировали некоторые такие протеины, содержащие по 102 аминокислоты. Им удалось установить их структуру, подтвердив образование четырех противонаправленных альфа-спиралей. Было также показано, что многие из этих белков способны эффективно связывать небольшие молекулы (включая кофакторы) и даже могут катализировать простейшие реакции.
Вскоре авторы сумели продемонстрировать работу таких белков и в условиях живой клетки. Ученые вооружились штаммами кишечной палочки с нарушенным производством фермента SerB (фосфосеринфосфатазы), необходимого клетке для синтеза аминокислоты серина. Такие бактерии способны расти лишь на питательной среде, содержащей эту аминокислоту, но на среде с минимальным набором питательных веществ не выживают. Их ученые культивировали в среде без серина, но в присутствии различных из спроектированных ранее белков.
Так было отобрано несколько молекул, обеспечивающих мутантным штаммам жизнь в лишенной серина среде — и среди них белок SynSerB3, который стал объектом новой работы. На этот раз Хехт и его команда изучили механизм, дающий бактериям возможность вновь синтезировать серин. Вопреки первым предположениям, SynSerB3 не катализировал ту же реакцию, что и поврежденный «естественный» белок SerB — он оказался подходящим регулятором.
Как показали ученые, SynSerB3 существенно повышает экспрессию фермента HisB, вовлеченного в биосинтез другой аминокислоты — гистидина. Однако этот белок проявляет слабую активность и в проведении схожей реакции с фосфосерином, ведущей к образованию серина. При повышенной концентрации HisB этой активности становится достаточно, чтобы синтез этой аминокислоты оставался на приемлемом уровне, и клетка росла даже при полном ее отсутствии.
Теоретически, когда-нибудь такие работы позволят проектировать совершенно новые, не существующие в природе белки, способные решать многие нужные задачи эффективнее — или решать те, которые даже не по силам «естественным» белкам. Количество возможных комбинаций из 20 аминокислот даже в последовательности длиной 102 звена просто колоссальны, и эволюция могла опробовать далеко не все из них.
«Эволюция — оппортунистический процесс, — пишут авторы. — Столкнувшись с новыми условиями среды, организмы вынуждены адаптироваться, используя ограниченный набор стратегий, включая изменения в работе имеющихся белков или их регуляции». По словам ученых, новая работа демонстрирует, что синтетическая биология и разработка белков «с нуля» позволяет отвечать на такие вызовы среды не хуже «естественной» эволюционной изменчивости.

Роман Фишман