mRNA: Forscher rekodieren das Genom für programmierbare synthetische Proteine

Synthetische Biologen aus Yale konnten mithilfe einer von ihnen entwickelten zellulären Plattform den genetischen Code eines Organismus – eines neuartigen genomisch umcodierten Organismus (GRO) mit einem Stopcodon – neu schreiben und so neue Klassen synthetischer Proteine herstellen. Diese synthetischen Proteine, sagen die Forscher, bieten unzählige medizinische und industrielle Anwendungsmöglichkeiten, die der Gesellschaft und der menschlichen Gesundheit zugutekommen können.

Die Entstehung des bahnbrechenden GRO, bekannt als „Ochre“, das redundante oder „degenerierte“ Codons vollständig zu einem einzigen Codon komprimiert, wird in einer neuen Studie beschrieben, die am 5. Februar in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde . Ein Codon ist eine Sequenz von drei Nukleotiden in DNA oder RNA, die für eine bestimmte Aminosäure kodiert, die als biochemischer Baustein für Proteine dient.

„Diese Forschung ermöglicht es uns, grundsätzliche Fragen zur Formbarkeit genetischer Codes zu stellen“, sagte Farren Isaacs , Professor für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie an der Yale School of Medicine und für Biomedizintechnik an der Yale Faculty of Arts and Sciences, der Co-Autor der Studie ist. „Sie zeigt auch die Möglichkeit, den genetischen Code so zu verändern, dass Proteine mit Multifunktionalität ausgestattet werden und eine neue Ära programmierbarer Biotherapeutika und Biomaterialien eingeläutet wird.“

Dieser bahnbrechende Fortschritt baut auf einer Studie des Teams aus dem Jahr 2013 auf, die in Science veröffentlicht wurde und den Bau des ersten GRO beschrieb. In dieser Studie demonstrierten die Forscher neue Lösungen zum Schutz gentechnisch veränderter Organismen und zur Herstellung neuer Klassen synthetischer Proteine und Biomaterialien mit „unnatürlichen“, also vom Menschen geschaffenen Chemikalien.

Ochre ist ein wichtiger Schritt hin zur Schaffung eines nichtredundanten genetischen Codes insbesondere in E. coli , der sich ideal für die Produktion synthetischer Proteine eignet, die mehrere unterschiedliche synthetische Aminosäuren enthalten.

Jesse Rinehart , außerordentlicher Professor für Zell- und Molekularphysiologie an der Yale School of Medicine und Co-Autor der Studie, bezeichnete den Durchbruch als „einen tiefgreifenden Schritt der Genomtechnik, der auf über 1.000 präzisen Änderungen in einem Ausmaß beruht, das jede bisher von uns vollbrachte technische Leistung um ein Vielfaches übertrifft.“

„Dies ist eine spannende neue Plattformtechnologie, die eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten für die Biotechnologie sowohl im akademischen als auch im kommerziellen Bereich eröffnet“, sagte Rinehart. „Wir wollen unser allgemeines Wissen über die Wissenschaft erweitern, aber wir wollen auch industrielle Anwendungen ermöglichen, die der Gesellschaft zugutekommen.“

Das Codon, eine Sequenz von drei Nukleotiden in DNA oder RNA, fungiert als „Gebrauchsanweisung“ für die Proteinsynthese. Es teilt der Zelle mit, welche der 20 natürlichen Aminosäuren zu einer wachsenden Proteinkette hinzugefügt werden sollen (oder signalisiert im Fall von „Stopp“-Codons das Ende der Proteinsynthese). Bei diesem als Translation bezeichneten Prozess bestimmt die genetische Information, die in einer Boten-RNA (mRNA) über den genetischen Code enthalten ist, nicht nur die Reihenfolge der Aminosäuren, sondern auch, wann der Prozess beginnen und enden soll.

Michael Grome , Postdoktorand für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie in Yale und Erstautor der Studie, verglich Codons mit dreibuchstabigen Wörtern in einem Satz im genetischen Rezept des Lebens. In der Zelle, sagte er, gibt es Ribosomen, die wie 3D-Drucker funktionieren und das Rezept lesen. Jedes Wort erfordert eine „Zutat“ – eine Aminosäure aus der Liste der 20 natürlichen Aminosäuren, aus denen Proteine bestehen.

„Viele dieser Wörter sind gleichwertig oder synonym“, sagte Grome. „Wir wollten weitere Zutaten für den Aufbau von Proteinen hinzufügen, also nahmen wir drei dieser Wörter für ‚Stopp‘ und machten daraus eins. Zwei Wörter wurden entfernt, dann überarbeiteten wir die Zelle, sodass sie für neue Funktionen ‚frei‘ wurden. Dann konstruierten wir eine Zelle, die das Wort erkannte, um etwas Neues zu sagen, um eine neue Zutat darzustellen.“

Konkret eliminierten die Forscher zwei der drei Stopcodons, die die Proteinproduktion beenden. Das neu kodierte Genom ordnete vier Codons nicht-degenerierten Funktionen zu, darunter den beiden neu kodierten Stopcodons, die der Kodierung nicht-standardmäßiger oder unnatürlicher Aminosäuren in Proteinen dienen. Neben der Einführung Tausender präziser Änderungen im gesamten Genom erforderte die Arbeit ein KI-gesteuertes Design und eine Neukonstruktion wesentlicher Protein- und RNA-Translationsfaktoren, um einen Stamm zu schaffen, der in der Lage ist, zwei nicht-standardmäßige Aminosäuren in sein Rezeptbuch aufzunehmen. Diese nicht-standardmäßigen Aminosäuren verleihen Proteinen zahlreiche neue Eigenschaften, wie etwa programmierbare Biologika mit reduzierter Immunogenität (die Fähigkeit einer Substanz, eine Immunreaktion im Körper auszulösen) oder Biomaterialien mit verbesserter Leitfähigkeit.

Die Ergebnisse spiegeln die jahrelange Arbeit der beiden Labore am Yale Systems Biology Institute auf dem West Campus wider. Die Zusammenarbeit zwischen Rinehart und Isaacs begann 2010, als sie begannen, in benachbarten Laboren zu arbeiten. Isaacs interessiert sich schon lange für die Manipulation von Genomen – ähnlich, wie ein Architekt ein Gebäude plant und verändert, sagt er. Rineharts Arbeit konzentriert sich auf Proteine – wie sie hergestellt werden und wie die Voraussetzungen dafür geschaffen werden können, dass sie andere Aktionen ausführen.

„Wir haben erkannt, dass unsere Fachkompetenzen sich ergänzen und dass beide Labore ein breites Spektrum an Fachwissen und Kompetenzen mitbringen“, sagte Rinehart.

Isaacs ist begeistert von den, wie er es nennt, potenziell „Killer“-Anwendungen für programmierbare Proteinbiologika, die die neue Plattform ermöglichen wird. Eine solche Anwendung umfasst die Entwicklung von Proteinmedikamenten mit synthetischen Chemikalien, um die Häufigkeit der Dosierung oder unerwünschte Immunreaktionen zu verringern. Das Team berichtete in einer Studie aus dem Jahr 2022 über eine solche Anwendung unter Verwendung ihres GRO der ersten Generation . In dieser Studie kodierten sie nicht standardmäßige Aminosäuren in Proteine und demonstrierten damit einen sichereren, kontrollierbaren Ansatz zur präzisen Abstimmung der Halbwertszeit von Proteinbiologika.

Die neue Ochre-Zelle erweitert diese Möglichkeiten für den Einsatz bei der Herstellung multifunktionaler Biologika. Isaacs und Rinehart fungieren derzeit als Berater für Pear Bio, ein Biotechnologie-Spin-off von Yale, das die Technologie für die Kommerzialisierung programmierbarer Biologika lizenziert hat.

Weitere an der Studie beteiligte Yale-Forscher sind Michael Nguyen, Daniel Moonan, Kyle Mohler, Kebron Gurara, Shenqi Wang, Colin Hemez, Benjamin Stenton, Yunteng Cao, Felix Radford, Maya Kornaj, Jaymin Patel, Maisha Prome, Svetlana Rogulina, David Sozanski und Jesse Tordoff.