04.02.2013

Создана молекулярная машина для сборки пептидов

Исследователи из Манчестера и Эдинбурга создали примитивный искусственный аналог рибосомы — ротаксановую наномашину, способную синтезировать пептиды заданного состава. Кольцевая молекула перемещается по линейной молекуле-матрице, состоящей из цепочки ароматических колец, к которым прикреплены аминокислоты, последовательно отсоединяя аминокислотные остатки от стержня и прикрепляя их к растущему пептиду. Если настоящая рибосома присоединяет 15–20 аминокислотных остатков в секунду, то у созданной наномашины на присоединение одного остатка уходит 12 часов.

Создание искусственных наномашин (они же — молекулярные машины) — популярная сегодня область биоинженерии. Уже разработано множество молекулярных машин, выполняющих самые разные задачи: роботы из молекул ДНК (Kyle Lund, et al, 2010. Molecular Robots Guided by Prescriptive Landscapes), искусственные наномоторы (Rienk Eelkema et al., 2006. Molecular machines: Nanomotor rotates microscale objects), манипуляторы, изменяющие конформацию определенных лигандов (Takahiro Muraoka et al., 2006. Mechanical twisting of a guest by a photoresponsive host), и множество других.

Молекулярные машины часто проектируются на основе ротаксанов — класса соединений, состоящих из молекулы гантелевидной формы («стержня») и «надетой» на неё циклической молекулы («кольца»). Линейная и циклическая молекула связаны без участия химической связи, чисто механически — так называемой топологической связью. Кольцу не дают соскользнуть со стержня утолщения на концах гантели (например, разветвлённая система из ароматических колец). Например, ротаксановые машины использовались для осуществления направленного транспорта капелек жидкости (José Berná et al., 2005. Macroscopic transport by synthetic molecular machines), а также для создания своего рода переключателей, срабатывающих при освобождении (в результате изменения pH) кольцом каталитического сайта, расположенного на оси ротаксана (Victor Blanco et al., 2012. A Rotaxane-Based Switchable Organocatalyst).

Именно такую архитектуру избрали для своей молекулярной машины, синтезирующей пептиды (короткие белки), авторы недавней статьи в Science. Кольцо (макроцикл, рис. 1, № 3), способное передвигаться по стержню, несет на себе каталитический сайт (рис. 1, № 4), который висит на кольце. Аминокислоты, которые должны будут присоединяться к растущему пептиду, прикреплены прямо к стержню — в определённом порядке и с определённым шагом (рис. 1, № 2). (О том, как осуществляется прикрепление аминокислот к молекуле-стержню, авторы, к сожалению, умалчивают).

Чтобы получать пептиды таким методом в больших количествах, надо просто одновременно добавить в реакционную смесь большое количество ротаксановых наномашин (кольцо + стержень с аминокислотами), что, собственно, и сделали авторы статьи. Используя одновременно 1018 молекулярных машин, они получили миллиграммы пептида.

Проверка методами ЯМР и масс-спектрометрии подтвердила, что состав синтезированных пептидов точно соответствовал ожиданиям ученых. Полученный пептид получается очень чистым, потому что при таком методе синтеза у молекулярной машины фактически нет возможности совершить ошибку, выбрав неправильный строительный блок для продолжения синтеза.

Авторы работы сравнивают свою наномашину с рибосомой — природным молекулярным ансамблем для синтеза белка.

В живой клетке белки синтезируются рибосомами из строительных блоков (аминокислот) на основе матрицы — молекулы мРНК, несущей информацию о строении белка. Рибосома присоединяется к концу молекулы мРНК и двигается по ней, добавляя к растущему белку по одной аминокислоте на каждые три нуклеотида матрицы. Перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот осуществляется благодаря специальным адапторам — аминоацил-тРНК, каждый из которых несёт в своем составе определенный остаток аминокислоты и обладает свойством распознавать определенную тройку нуклеотидов мРНК. Прочитав три нуклеотида мРНК, рибосома получает однозначную информацию о следующем строительном блоке, нужном для синтеза.

Поскольку все необходимые для синтеза блоки (аминоацил-тРНК) присутствуют в клетке, рибосоме остается только ждать, когда в нее поступит нужный. Когда соответствующая аминоацил-тРНК попадает в А-сайт рибосомы и узнает нуклеотиды матрицы, присоединенный к ней остаток аминокислоты переносится на растущий белок, находящийся в P-сайте рибосомы. После этого рибосома сдвигается относительно мРНК на три нуклеотида и ждет появления следующей необходимой молекулы аминоацил-тРНК. Когда рибосома проходит всю последовательность мРНК, из нее выходит закодированный в последовательности матрицы белок.

Каталитическая субъединица молекулярной машины так же направленно движется вдоль стержня, как и рибосома вдоль мРНК, и синтезируемый пептид так же удлиняется по ходу этого движения. Принципиальное отличие от рибосомы состоит в том, что молекулярной машине не нужно, прочитав инструкцию, ждать появления подходящей детали: детали разложены прямо перед ней в правильном порядке, и ей остается лишь подобрать их и соединить в цепочку. Таким образом, в данном случае речь не идёт о каком-либо переводе информации с одного языка на другой, как это происходит при природном синтезе (язык нуклеотидов — язык аминокислот).

Другое важное отличие от рибосомы — очень большое время, уходящее на реакцию синтеза пептида: 12 часов на присоединение каждого аминокислотного остатка (а клеточные рибосомы присоединяют 15–20 остатков в секунду!), то есть разница в эффективности с настоящей рибосомой составляет 650–870 тысяч раз.

Заметим, что особого практического значения работа на данный момент не имеет. Для искусственного синтеза пептидов обычно используется твёрдофазный синтез, который занимает значительно меньше времени: до 10–15 минут на образование одной пептидной связи (по сравнению с 12 часами в случае ротаксановой машины). Тем более синтез значительно усложняется, если приходится сначала синтезировать стержень с аминокислотами, а потом уже проводить реакцию собственно синтеза пептида.

Тем не менее в статье впервые разработан пептидный синтез при помощи наномашины. Создание ещё одной наносистемы с требуемыми свойствами и функциями показывает большие возможности молекулярных машин для синтеза в том числе природных полимеров. Кроме того, как отмечают авторы, предложенный в статье метод позволяет синтезировать пептид высокой степени чистоты.

Юлия Кондратенко

Источники:

1. elementy.ru