Рибосома — это важнейшая специализированная структура в клетках живых организмов. Основной ее функцией является производство белков из аминокислот на основе генетической информации, предоставляемой матричной рибонуклеиновой кислотой (мРНК).
По сути, рибосома представляет собой «фабрику» по производству белков, которые затем используются для поддержания жизнедеятельности самой клетки, то есть для ее роста, развития и обновления.
Основными составляющими рибосомы являются две структуры, называемые субчастицами, которые постоянно меняют своих «партнеров». Малая субчастица находит мРНК (а затем расшифровывает содержащуюся в ней генетическую информацию), после чего к ней присоединяется большая субчастица, которая выполняет следующий этап синтеза — обеспечивает формирование связей между растущей аминокислотной цепочкой будущего белка и каждой последующей аминокислотой. После того как синтез завершен, обе частицы расходятся.
Идея о том, чтобы научиться синтезировать пептиды (составляющие части белков) — то есть, по сути, научиться выполнять работу рибосом, — занимает умы исследователей в течение долгого времени. Общий метод, позволивший синтезировать пептиды в лабораторных условиях, был разработан еще в 1905 году лауреатом Нобелевской премии по химии 1902 года Эмилем Германом Фишером. Спустя полвека в лаборатории был создан окситоцин — гормон, состоящий из длинных пептидных цепочек. А в 1963 году Роберт Брюс Меррифилд разработал методику твердофазного пептидного синтеза, за что удостоился Нобелевской премии по химии 1984 года. На основе его разработок были созданы автоматические синтезаторы пептидов.
Твердофазный синтез пептидов продолжает использоваться и до сих пор, причем на производство одной пептидной связи обычно уходит от 10 до 15 минут. В 2013 году журнал Science опубликовал статью группы исследователей из Манчестера и Эдинбурга под руководством Дэвида Лея, в которой ученые описывали созданный ими искусственный аналог рибосомы — правда, весьма примитивный.
Структура представляла собой «машину» для синтеза пептидов заданного состава, сделанную из ротаксанов — соединений, состоящих из молекулы гантелевидной формы и циклической молекулы, «надетой» на нее. Принципиальные отличия от «настоящей» рибосомы заключались в том, что состав пептидов был уже задан, и «машине» оставалось только расставить предоставленные ей аминокислоты в нужном порядке, причем на присоединение одного аминокислотного остатка у нее уходило до 12 часов.
Клеточные рибосомы же самостоятельно определяют, в каком порядке должны располагаться аминокислоты, а соединяют они их со скоростью 15–20 штук в секунду.
Группа исследователей под руководством Александра Манькина (Иллинойский университет в Чикаго) и Майкла Джуветта (Северо-Западный университет) совершила настоящий прорыв в науке, сумев создать искусственную рибосому, которая выполняет те же функции, что и естественная. Кроме того, в ходе работы ученые существенным образом изменили структуру рибосомы, «запретив» ее субчастицам разделяться после синтеза белка. Подробнее ознакомиться с результатами работы исследователей можно в журнале Nature.
Один из ведущих авторов исследования Александр Манькин рассказал отделу науки, в чем заключается суть достижения.
— Александр, скажите, можно ли утверждать, что вы создали искусственную рибосому?
— Нет. Однако нам удалось существенным образом переиначить природную рибосому, которая является результатом всего каких-то трех миллиардов лет эволюции. Мы решили связать малую и большую субчастицы вечным союзом, фактически соединив их наручниками: основу большой субчастицы мы переделали таким образом, чтобы ее можно было «подшить» к малой субчастице.
В результате это выглядит как нормальная рибосома, но вместо двух скелетов (РНК малой субчастицы и РНК большой субчастицы) эти скелеты соединены в один, прямо как у сиамских близнецов. А значит, теперь мы с этой парой сможем делать все, что захотим.
— Например?
— Например, учить ее синтезировать белки, в том числе и терапевтические, которые обычная рибосома или же совсем делать не умеет, или же делает их из рук вон плохо. Или же мы можем учить ее включать неприродные аминокислоты в белок с тем, чтобы сделать его лучше, устойчивее, более терапевтически полезным или вообще другим. Надо помнить, что природа предложила нам всего только 20 «нормальных» аминокислот, чтобы делать генетически программируемые полимеры, называемые белками.
Но теперь мы можем насинтезировать много разных новых аминокислот, или даже вовсе не аминокислот, а других соединений, которые можно было бы соединять в различные полезные для нас и, главное, программируемые полимеры.
— Получается, ваша модифицированная рибосома способна выполнять все функции рибосомы природной и даже больше?
— Да. Поэтому, к нашему огромному удивлению, клетка с такой рибосомой (но без «нормальных» рибосом) живет достаточно счастливо и растет всего в два раза медленнее, чем обычная клетка. Однако малая субчастица должна узнавать мРНК сама по себе. Неудивительно, что наша «сиамская» рибосома делает это несколько хуже. Мы сейчас пытаемся понять, можно ли нашей рибосоме помочь в этом деле, например, меняя структуру фрагментов РНК, которые связывают две субчастицы.
— Может ли помочь ваша работа пониманию того, как именно зародилась жизнь на Земле? Ведь предполагается, что первичными «кирпичиками» жизни, сформировавшимися в условиях молодой Земли, были именно РНК.
— Это замечательный вопрос. Ответ — сегодня, наверное, нет, а завтра — возможно. Ученые (в том числе и моя лаборатория) в течение многих лет пытались доказать, что РНК большой субчастицы может сама катализировать образование пептидной связи и соединять аминокислоты в белок. Доказательство этого факта было бы сильным аргументом в пользу того, что белковый синтез зародился в эпоху РНК, но пока, увы, все попытки сделать это были безуспешными. Наша рибосома, вероятно, позволит проводить новые эксперименты в этом направлении. В то же время тот факт, что клетка живет вполне счастливо с «сиамской» рибосомой, показывает, что двухсубъединичная структура рибосомы — это, скорее всего,
один из возможных эволюционных вариантов синтеза белка, а вовсе не необходимость, диктуемая механикой белкового синтеза.
— Можно ли использовать «сиамскую» рибосому в медицинских целях?
— Ну конечно! Все, что делается в биологических исследованиях — фундаментальных или прикладных, — рано или поздно, напрямую или косвенно оказывает влияние на медицину, сельское хозяйство... Как я уже говорил, нашу рибосому с «повязанными» субчастицами можно научить синтезировать терапевтические белки, которые будут более устойчивы в клетках, и, значит, их не надо будет давать пациенту слишком часто. Или же можно эти терапевтические белки (например, моноклональные антитела) сделать лучше, подшивая к ним всевозможные «боеголовки» для атак на наших врагов — раковые клетки, патогенные бактерии и вирусы.