Одно из самых удивительных инженерных достижений эволюции — рибосома, РНК-белковая машина, превращающая генетический код в полипептидную цепь. Учёным из Манчестерского университета (Великобритания) под руководством Дэйва Ли удалось получить полностью искусственный аналог этой чудесной машины: их наноустройство точно так же производит полимер в соответствии с некоей инструкцией.
Рибосому химикам заменила молекула ротаксана. Ротаксаны — довольно странные и непривычные молекулы. Они состоят из двух частей: одна часть — это молекула-кольцо, другая — молекула-ось, на которую кольцо надето. Чтобы кольцо держалось, молекулу-ось делают похожей на гантель, снабжая её двумя «выпуклостями» по краям. Кольцо может вращаться вокруг оси и перемещаться от одного края к другому, жёсткой химической связи между ними нет.
Исследователи добавили к осевой части последовательно три аминокислоты, которые не позволяли кольцу соскользнуть. К кольцу тоже присоединили три аминокислоты, но уже в виде цепи. Эта трёхаминокислотная цепь на кольце была рабочей «рукой»: последним в ней стоял цистеин с активной серосодержащей тиоловой (или сульфгидрильной) группой. При нагревании тиоловая группа переносила аминокислоту на кольцо, точнее, на конец присоединённой к кольцу аминокислотной руки. Таким образом, полипептидная последовательность удлиняла сама себя, используя кольцо как опору, стамину.
После того как «рука» собирала все аминокислоты с оси, кольцо соскальзывало с неё, а саму «руку» можно было отсоединять от кольца. Получалась олигопептидная молекула, в которой три крайние аминокислоты стояли в той последовательности, в которой их располагали на оси. Нетрудно указать на отличия от рибосомы: у ротаксановой системы код — это просто последовательность, в которой она встречает новое сырьё; такого сложного декодирования, как при биосинтезе, тут нет. Кроме того, сам «код» тут разрушается (аминокислоты счищаются с оси-матрицы), а весь процесс происходит довольно медленно. На синтез пептида с помощью такой системы уходили часы и едва ли не дни, тогда как рибосома синтезирует белки со скоростью 15–20 аминокислот в секунду. Не говоря уже о том, что ротаксановая «рибосома» служит только один раз и синтезирует лишь один пептид, после чего распадается.
С другой стороны, не следует забывать, что и, к примеру, самолёты когда-то начинались с убогих крылатых устройств, летавших недалеко и недолго. Исследователи полагают, что ротаксановая машина в будущем может стать даже более эффективной, чем обычные (и более скоростные) методы синтеза, — пептиды, полученные с помощью ротаксана, легче очистить и изолировать. Ну и, разумеется, нельзя забывать о фундаментальном значении результатов, которые помогут лучше понять, как работают молекулярные машины.
Перенос аминокислот с помощью сульфгидрильных групп не изобретение химиков — такой реакцией пользуются некоторые бактерии. С другой стороны, ротаксановые молекулы уже давно привлекают учёных именно как инструмент кодирования и хранения информации, а также как регуляторы химических реакций, которые включают или выключают другие молекулы-катализаторы.
Отчёт об исследовании вышел в журнале Science.
Подготовлено по материалам Манчестерского университета.