Amerikaanse onderzoekers laten cellen eiwitten bouwen met 34 aminozuren

Alle leven op aarde is opgebouwd uit eiwitten, en eiwitten bestaan normaal gesproken uit combinaties van 20 aminozuren. Het laboratorium van geneticus George Church aan Harvard Medical School en het Wyss Institute heeft nu een techniek gepubliceerd in vakblad Nature waarmee dat aantal in één klap wordt uitgebreid naar 34. De methode heet AGENTEX en maakt eiwitontwerp mogelijk zonder dat onderzoekers het DNA van een organisme hoeven aan te passen.

Twintig jaar sleutelen aan de genetische code

Sinds 2013 werkte het team van Church aan het herprogrammeren van de genetische code van de bacterie E. coli. Elk aminozuur wordt gecodeerd door een drieletterig stukje DNA of RNA, een codon. Omdat er meer codons zijn dan aminozuren, kunnen sommige codons vrijgemaakt worden om een compleet nieuw aminozuur te coderen. Dat proces bleek extreem traag: het kostte de onderzoekers ongeveer tien jaar om één extra codon vrij te maken, en er waren twee decennia voor nodig om bacteriën tot 22 verschillende aminozuren te laten maken.

AGENTEX doorbreekt dat tempo. In plaats van het genoom van een levend organisme te herschrijven, werkt het systeem met losse celonderdelen in een reageerbuis, een aanpak binnen de synthetische biologie. Onderzoekers ontwerpen daarbij aangepaste tRNA's en ribosomen die precies aansluiten op de nieuwe aminozuren die ze willen toevoegen. Omdat er geen levende cellen aan te pas komen, is de methode volgens de onderzoekers sneller en veiliger dan eerdere technieken.

Een verrassing over tRNA's

Bij de ontwikkeling van AGENTEX stuitte het team op een onverwacht inzicht. tRNA-moleculen, die aminozuren aan een groeiende eiwitketen koppelen, eindigen altijd met dezelfde genetische letters: CCA. Wetenschappers gingen er decennialang van uit dat een tRNA met een andere uiteinde-sequentie automatisch als defect wordt afgekeurd. Eerste auteur Felix Radford en collega's ontdekten dat dit maar deels klopt: bepaalde enzymen accepteren wel degelijk tRNA's met een afwijkend uiteinde, zoals de variant CGA. Dat maakte het mogelijk om aangepaste ribosomen te bouwen die alleen met die afwijkende tRNA's samenwerken, waardoor het nieuwe systeem los kan opereren van de natuurlijke eiwitfabriek van een cel.

Toepassingen in geneeskunde en meer

Het team bouwde ook een tool genaamd tSCAN, die tRNA-varianten razendsnel test op geschiktheid. Die tool biedt meteen een nieuwe manier om tRNA-mutaties te bestuderen die ziektes als diabetes en gehoorverlies veroorzaken. Volgens de onderzoekers opent AGENTEX de deur naar duizenden nieuwe eiwitten die parallel ontworpen en getest kunnen worden, iets wat mogelijk nieuwe medicijnen, materialen en industriële toepassingen dichterbij brengt. Het team wil in de toekomst ook kunstmatige intelligentie inzetten om het ontwerpproces verder te versnellen.