Diese in Nature veröffentlichte Errungenschaft beschreibt die Schaffung eines genetisch rekodierten Organismus (GRO) namens 'Ochre'. Dieser verwendet nur ein einziges Stopp-Codon, was die Produktion von synthetischen Proteinen mit innovativen Eigenschaften ermöglicht. Diese Proteine könnten Biotherapien und Biomaterialien revolutionieren.
Die Wissenschaftler haben redundante Codons zu einem einzigen komprimiert und dadurch Codons für neue Funktionen freigesetzt. Diese Leistung basiert auf mehr als 1.000 präzisen Genommodifikationen, ein bisher beispielloser Erfolg in der Genomtechnik.
Farren Isaacs und Jesse Rinehart, Mitautoren der Studie, betonen die Bedeutung dieser Technologieplattform. Sie ermöglicht nicht nur die Erforschung der Formbarkeit genetischer Codes, sondern auch die Entwicklung industrieller Anwendungen, die der Gesellschaft zugutekommen.
Michael Grome, Hauptautor der Studie, vergleicht Codons mit Wörtern in einem genetischen Rezept. Indem sie zwei der drei Stopp-Codons eliminierten, konnten die Forscher diesen Codons neue Funktionen zuweisen, was die Einbindung nicht-standardisierter Aminosäuren in Proteine ermöglicht.
Diese Forschung baut auf früheren Arbeiten auf, die 2013 in Science veröffentlicht wurden. Sie stellt einen bedeutenden Fortschritt in Richtung der Schaffung eines nicht-redundanten genetischen Codes in E. coli dar, einem idealen Organismus für die Produktion synthetischer Proteine.
Die potenziellen Anwendungen dieser Technologie sind vielfältig und reichen von der Reduzierung unerwünschter Immunreaktionen bis zur Verbesserung der Leitfähigkeit von Biomaterialien. Isaacs und Rinehart arbeiten mit Pear Bio, einem Spin-off der Yale University, zusammen, um diese programmierbaren Biologika zu kommerzialisieren.
Diese Studie markiert einen Wendepunkt in unserer Fähigkeit, den genetischen Code für medizinische und industrielle Anwendungen zu manipulieren. Sie ebnet den Weg für eine neue Generation von Biotherapien und Biomaterialien mit tiefgreifenden Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und Biotechnologie.
Was ist ein Codon und wie funktioniert es?
Ein Codon ist eine Sequenz von drei Nukleotiden in der DNA oder RNA, die für eine spezifische Aminosäure kodiert und als Baustein für Proteine dient. Es gibt 64 verschiedene Codons, von denen 61 für die 20 natürlichen Aminosäuren kodieren, und drei als Stopp-Codons dienen, die das Ende der Proteinsynthese signalisieren.
Codons fungieren als Anweisungen im Translationsprozess, bei dem genetische Informationen in Proteine umgewandelt werden. Jedes Codon entspricht einer spezifischen Aminosäure, und die Reihenfolge der Codons in einem Gen bestimmt die Reihenfolge der Aminosäuren im resultierenden Protein.
Die Redundanz des genetischen Codes bedeutet, dass mehrere Codons für dieselbe Aminosäure kodieren können. Diese Redundanz bietet eine gewisse Flexibilität und Widerstandsfähigkeit des genetischen Codes, was stille Mutationen ermöglicht, die die Aminosäuresequenz des Proteins nicht verändern.
In dieser Studie nutzten die Forscher diese Redundanz, um das Genom eines Organismus umzuschreiben, indem sie redundante Codons zu einem einzigen komprimierten und die freigesetzten Codons neuen Funktionen zuwiesen, wie der Einbindung nicht-standardisierter Aminosäuren in Proteine.
Was sind die potenziellen Anwendungen synthetischer Proteine?
Synthetische Proteine, die durch genetisch rekodierte Organismen wie 'Ochre' produziert werden, eröffnen zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin und Biotechnologie. Diese Proteine können so gestaltet werden, dass sie einzigartige Eigenschaften besitzen.
Im medizinischen Bereich könnten synthetische Proteine zur Entwicklung neuer biologischer Medikamente mit reduzierten Nebenwirkungen verwendet werden. Beispielsweise können durch die Einbindung nicht-standardisierter Aminosäuren Proteine geschaffen werden, die weniger wahrscheinlich eine unerwünschte Immunreaktion bei Patienten auslösen.
In der Industrie könnten synthetische Proteine zur Herstellung von Biomaterialien mit verbesserten Eigenschaften, wie einer besseren elektrischen Leitfähigkeit oder erhöhter Widerstandsfähigkeit, verwendet werden. Diese Materialien könnten Anwendungen in Bereichen von der Elektronik bis zum Bauwesen finden.
Schließlich könnte diese Technologie auch zur Erforschung grundlegender biologischer Fragen, wie der Formbarkeit des genetischen Codes und der Grenzen des Lebens, wie wir es kennen, genutzt werden. Durch das Ausloten dieser Grenzen könnten Forscher neue Wege für die Proteinsynthese und die Gestaltung von Organismen entdecken.