Я засмучуюсь щоразу, коли хапаю рукавичку й розумію, що це для протилежної руки.
Але для синтетичних біологів це роздратування є біологічною примхою, яка може допомогти трансформувати медицину. Подумайте про довгострокові ліки, які можна приймати раз на місяць, а не тричі на день. Або діагностичні інструменти на основі біомолекул, які залишаються в організмі, щоб пильно стежити за появою раку чи інших хронічних захворювань, не боячись бути передчасно очищеними метаболізмом організму.
Навіть більш сміливий, «дзеркальний вимір» біології може бути плацдармом для створення синтетичних форм життя, які існують поза природою, але є буквальним відображенням нас самих. Перефразовуючи: створення дзеркальної версії біології означає переписування фундаментальної операційної системи життя.
Звучить надто науково-фантастично? Дозволь пояснити. Подібно до того, як наша ліва рука не може носити рукавичку для правої руки, будівельні блоки життя — ДНК, РНК і білки — вигравірувані в специфічні тривимірні структури. Перевертайте їх, немов у дзеркалі, і вони більше не зможуть функціонувати всередині тіла. Вчені ще не впевнені, чому природа вибрала лише одну форму з двох потенційних дзеркальних відображень. Але вони готові це випробувати.
Нове дослідження in наука досяг успіху, переробивши частини механізму виробництва білків у своєму дзеркальному відображенні. У центрі знаходиться структура під назвою рибосома, яка вбирає генетичний код і перетворює його в амінокислоти — блоки Lego для всіх білків. Рибосома є знаковою клітинною архітектурою, злитою з двох основних молекулярних компонентів: РНК і білків.
Команда на чолі з давнім ентузіастом дзеркала д-ром Тін Чжу з Університету Вестлейк в Ханчжоу, Китай, взялася за РНК-частину головоломки. Вони переконструювали білок «робоча конячка», який складає дві третини структури, щоб отримані компоненти РНК були побудовані в дзеркальній формі.
Ці структури поки що не здатні викачувати «відбиті» білки. Але кілька тестів виявили, що синтезовані молекули були набагато стійкішими до звичайних білків клітини, які «розжовують» природні версії тих самих білків.
«З точки зору біотехнології, багато додатків були б можливими, якщо мати дзеркальне зображення рибосоми», сказав Доктор Джонатан Щепанськ з Техаського університету A&M, який не брав участі в роботі. «Це дійсно величезний прогрес у галузі дзеркальної біології».
Кабінет (біо)цікавостей
Розповідь про дивні життєві труднощі щодо певних структур починається в 1848 році з Луї Пастера. Ви, мабуть, чули про французького хіміка — батька щеплень, мікробної ферментації та пастеризації, які все ще зберігають наше молоко безпечним для пиття. Заглядаючи у свої винні скриньки, Пастер знайшов кристалічні відкладення привабливої молекули. Хоча вони мали однакові форми та хімічні властивості, вони утворювали дзеркальні відображення один одного. Одна конфігурація була названа «L». левус, або ліворуч латиною; інша "D" для правий, або праворуч.
Пізніше вчені виявили, що молекули L- і D-форми існують як базовий код для біології. Будівельні блоки ДНК, план нашої генетики, природно мають форму D. Амінокислоти, навпаки, зазвичай повертаються вліво.
Це упередження глибоко вкорінене в центральному принципі біології. ДНК транслюється в РНК і згодом переміщується до рибосоми для подальшого вбудовування в білки, які виконують важливі для життя процеси. Але ось суть: на кожному кроці механізм клітини викачує молекули певного хіральність. Наші тканини й органи запрограмовані на хіральний світ, тобто такий, у якому відповідний об’єкт не може бути накладений на його дзеркальне відображення, навіть якщо його обертати.
Кілька років тому вчені запитали: що, якби ми змогли штучно віддзеркалити цю систему й розбити її на новий синтетичний вимір життя, створений із протилежної хіральності?
Крізь Скло
Переписати життя в дзеркально протилежну версію – це, м’яко кажучи, важке завдання.
Нове дослідження було зосереджено на дзеркалі, яке «відбиває» частини рибосоми. Попередні дослідження показали, що можна реплікувати дзеркально відображену ДНК і навіть перевести її в месенджер дзеркальну РНК. «Наступним кроком є реалізація дзеркального перекладу» з РНК на білок, пояснили автори.
Це високий пагорб, щоб піднятися. Рибосома — це масивна структура, що складається приблизно з 2,900 будівельних блоків букв РНК і понад 50 різноманітних білків. Раніше хімікам вдалося синтезувати дзеркальне відображення РНК у довгі ланцюги. Але це стомлююче, схильне до помилок і може містити щонайбільше 70 літер.
Якщо штучна хімія не працює, чому б не скористатися природою? У клітинах літери РНК зазвичай зшиваються разом у ланцюги біологічних даних за допомогою ферменту — білка, який називається РНК-полімераза. Теоретично «віддзеркалення» ферменту також може створити відображену версію РНК, яка будує рибосому. Повернутися в 2019, Команда Чжу спробувала цю ідею, «перевернувши» білкову робочу конячку від вірусу. Це спрацювало, але було дуже повільно, а отримані молекули були пронизані помилками.
Замість того, щоб займатися всім механізмом синтезу білка, автори зосередилися на одному важливому члені: РНК-полімеразі Т7. Улюбленець у сфері синтетичної біології, цей фермент є потужною робочою конячкою, яка може з високою ефективністю виробляти довгі ланцюги РНК, включно з тими, що утворюють білкові рибосоми.
Використовуючи рентгенівський аналіз, команда виявила, що T7 можна розділити на три сегменти, кожен з яких цілком доступний для традиційного синтезу. Синтезуючи кожен сегмент — дзеркальну версію їхніх природних аналогів — кінцева структура самозбирається у дзеркальну версію ферменту Т7.
«Сібрати білок такого розміру було величезним зусиллям», — сказав Щепанський.
У невідоме
Узявши в руки дзеркало T7, команда почала будувати перевернуту рибосому. Фабрика виробництва білка складається з трьох основних фрагментів РНК. Коли отримали дзеркальні версії інструкцій ДНК для цих компонентів, сконструйований фермент T7 щасливо побудував усі три сегменти за один раз. Додаткові тести показали, що дзеркально перевернутий фермент мав подібний рівень помилок, як і його природний аналог.
Більше того, молекули, які викачуються дзеркально відображеними Т7 — дзеркальними РНК — були набагато стабільнішими в клітинах, ніж ті, що виробляються природним шляхом. Це потенційне благо для вакцин або фармацевтичних препаратів на основі РНК, які часто швидко розщеплюються в організмі, перш ніж почнуть діяти. Оскільки дзеркала-молекули чужорідні для біологічних процесів організму, вони можуть залишатися набагато довше, потенційно посилюючи дію РНК або білкових вакцин і ліків.
Попереду довгий шлях. Наразі команда ще не побудувала повну дзеркальну рибосому. РНК складають приблизно дві третини структури, залишилося понад 50 білків. Додавання білкових компонентів за допомогою генної інженерії — це саме по собі подвиг; чи збиратимуться вони з дзеркальною РНК у функціональні дзеркальні рибосоми, абсолютно невідомо.
Але команда дивиться на приз: «Реалізація дзеркального перекладу завершить центральну догму дзеркального зображення молекулярної біології», — написали вони.
