mRNA دایره ای به کارخانه های سلولی کمک می کند تا شش برابر پروتئین بیشتری بسازند

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

یک فناوری زیست شناسی مصنوعی توسعه یافته است که RNA پیام رسان (mRNA) که به راحتی تجزیه می شود را به شکل حلقه ای در داخل سلول های میکروبی تبدیل می کند و تولید پروتئین را افزایش می دهد.

یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور سانگ وو سئو از دپارتمان مهندسی شیمی و بیولوژیکی در کالج مهندسی دانشگاه ملی سئول، یک فناوری زیست شناسی مصنوعی توسعه داده اند که mRNA خطی را به شکل دایره ای در داخل سلول های میکروبی تبدیل می کند و به طور همزمان پایداری mRNA و کارایی تولید پروتئین را افزایش می دهد. تیم این فناوری را CRESenT (بیان RNA دایره ای برای ترجمه پایدار و پیشرفته) نامید.

در مقایسه با کنترلی که در آن چرخش رخ نداد، CRESenT تولید پروتئین فلورسنت را تا 5.95 برابر و سطوح mRNA داخل سلولی را تا 3.95 برابر افزایش داد. مقدار پروتئین تولید شده در هر مولکول mRNA نیز 1.51 برابر افزایش یافت. محققان اثربخشی این فناوری را نه تنها در اشریشیا کلی بلکه در باکتری Bacillus subtilis و Corynebacterium glutamicum تایید کردند و آن را در تولید ترکیبات ارزشمندی از جمله فلاویولین، ایتاکونیک اسید، لیکوپن و ویولاسین به کار بردند.

این یافته ها در مجله Nucleic Acids Research منتشر شده است.

میکروارگانیسم ها به طور گسترده ای به عنوان "کارخانه های سلولی" برای تولید سوخت های زیستی، مواد شیمیایی سازگار با محیط زیست، مواد دارویی و سایر محصولات استفاده می شوند. اسیدهای آمینه مورد استفاده در چاشنی های غذا و خوراک دام نیز از طریق تخمیر میکروبی در مقیاس میلیون ها تن در سال تولید می شود. بهره وری این کارخانه های سلولی به این بستگی دارد که آیا آنزیم های مورد نیاز برای تولید ترکیبات هدف می توانند به مقدار کافی در داخل سلول تولید شوند یا خیر.

تاکنون، تلاش‌ها برای افزایش بیان ژن عمدتا بر کنترل عناصر درگیر در مراحل اولیه خواندن اطلاعات ژنتیکی، مانند پروموترها و سایت‌های پیوند ریبوزوم (RBS) متمرکز بوده است. با این حال، mRNA خود - طرح اولیه برای تولید پروتئین - بسیار ناپایدار است. برخلاف mRNA در سلول‌های یوکاریوتی، mRNA باکتری فاقد ساختارهای محافظ در انتهای خود است، مانند کلاهک یا دم پلی (A) و به راحتی در معرض آنزیم‌های تجزیه‌کننده RNA داخل سلولی یا RNases قرار می‌گیرد. در نتیجه mRNA باکتریایی به سرعت تجزیه می شود و عمر آن تنها چند دقیقه است.

این تخریب سریع mRNA برای میکروارگانیسم‌های موجود در طبیعت مفید است، جایی که آنها باید به سرعت با تغییرات محیطی سازگار شوند. با این حال، در کارخانه های سلولی، جایی که یک ماده خاص باید به طور مداوم تحت شرایط کنترل شده تولید شود، ناپدید شدن سریع mRNA - طرح اولیه تولید - می تواند کارایی تولید را کاهش دهد. در نتیجه، افزایش مدت زمانی که mRNA دست نخورده باقی می ماند به عنوان یک عامل مهم در بهبود بهره وری ظاهر شده است.

تیم تحقیقاتی به جای افزایش مقدار mRNA، این مشکل را با تغییر "شکل" آن برطرف کرد. mRNA خطی، که شبیه یک رشته با دو سر باز است، می تواند توسط آنزیم هایی که RNA را از انتهای آن تجزیه می کنند، هدف قرار دهد. با این حال، اتصال آن انتهای برای تشکیل یک حلقه، می تواند قرار گرفتن در معرض این مسیرهای تخریب را کاهش دهد.

در طبیعت، بخش‌های RNA معروف به اینترون‌ها وجود دارند که دارای توانایی «خودپیچ‌شدن» هستند و به آن‌ها اجازه می‌دهد بخشی از خود را برش دهند و سپس بخش‌های باقی‌مانده را دوباره به هم وصل کنند. محققان قسمت های جلویی و پشتی یک اینترون را به ترتیب معکوس مرتب کردند و mRNA ژن هدف را طوری طراحی کردند که دو انتهای آن در داخل سلول به هم بپیوندند و یک ساختار دایره ای شکل دهند. این mRNA را قادر می‌سازد تا مستقیما در داخل سلول‌های زنده E. coli بدون افزودن آنزیم‌های جداگانه یا انجام پردازش‌های اضافی در یک لوله آزمایش، چرخه شود.

این تیم همچنین دو اصل طراحی را برای بهبود کارایی CRESenT شناسایی کردند. اولین مورد مربوط به طول مناطق ترجمه نشده (UTRs) است. UTR ها اطلاعات پروتئین را رمزگذاری نمی کنند، اما به عنوان مناطق کناری عمل می کنند که بر پایداری mRNA تأثیر می گذارد. اگر UTR خیلی طولانی باشد، ناحیه بزرگتری در معرض آنزیم های تجزیه کننده RNA قرار می گیرد. اگر خیلی کوتاه باشد، ممکن است اینترون به درستی جمع نشود و بازده چرخشی را کاهش دهد. از طریق آزمایشات، محققان طول های بهینه را در هر دو انتها شناسایی کردند.

اصل دوم شامل مکانیزمی است که به دو قطعه اینترون جدا شده کمک می کند تا دقیقا به یکدیگر متصل شوند. هنگامی که محققان توالی های کوتاهی را اضافه کردند که مانند دندانه های یک زیپ به هم متصل می شوند، این دو قطعه به طور موثرتری به هم متصل شدند و کارایی دایره سازی را افزایش دادند.

هنگامی که سیستم CRESenT بهینه‌سازی شده اعمال شد، تولید پروتئین تا 5.95 برابر و سطوح mRNA درون سلولی 3.95 برابر در مقایسه با کنترلی که در آن چرخش رخ نداد، افزایش یافت. در آزمایش‌هایی که تغییرات mRNA را پس از توقف مصنوعی ردیابی کردند، mRNA خطی به سرعت کاهش یافت، در حالی که mRNA دایره‌ای تقریبا هیچ کاهشی نشان نداد.

این نتایج تایید کرد که افزایش بیان پروتئین با بهبود پایداری RNA مرتبط است. علاوه بر این، تولید پروتئین به ازای هر مولکول mRNA 1.51 برابر افزایش یافت که نشان می‌دهد ساختار دایره‌ای نیز به بهبود کارایی تولید پروتئین کمک می‌کند.

نقطه قوت کلیدی CRESenT تطبیق پذیری آن است. محققان نشان دادند که افزایش تولید پروتئین تحت طیف وسیعی از شرایط بیان با ترکیب پروموترها و محل‌های اتصال به ریبوزوم با قدرت‌های مختلف ثابت ماند و نشان داد که CRESenT می‌تواند در کنار فناوری‌های کنترل بیان ژن موجود استفاده شود. این سیستم همچنین بر روی چندین نوع پروتئین فلورسنت و یک ژن بزرگ تقریبا 3.5 کیلوبایت اعمال شد.

علاوه بر سویه های متعدد E. coli، همین اثر در Bacillus subtilis و Corynebacterium glutamicum نیز تایید شد. این نتایج نشان می‌دهد که CRESenT یک فناوری پلت‌فرم است که محدود به یک میکروارگانیسم خاص نیست و می‌تواند به طور گسترده برای انواع میکروارگانیسم‌های صنعتی اعمال شود.

تیم تحقیقاتی همچنین از CRESenT برای تولید ترکیبات مفید استفاده کرد. هنگامی که ژن‌های کدکننده آنزیم‌های دخیل در مسیرهای متابولیک با استفاده از CRESenT بیان شدند، تولید رنگدانه طبیعی فلاویولین 2.74 برابر افزایش یافت، در حالی که اسید ایتاکونیک، یک ماده اولیه برای پلاستیک‌های زیستی، 1.52 برابر افزایش یافت. ترکیب آنتی اکسیدانی لیکوپن 1.60 برابر افزایش یافت. و ویولاسین که دارای فعالیت ضد میکروبی و ضد سرطانی است 1.62 برابر افزایش یافت. به عبارت دیگر در تولید ترکیبات مفید صنعتی نیز همین اثر مشاهده شد.

CRESenT را می توان برای تولید انواع پروتئین ها و متابولیت ها به سادگی با جایگزینی ژن در داخل سیستم و در عین حال حفظ دستگاه چرخشی به کار برد. محققان انتظار دارند که این فناوری در نهایت می تواند در کارخانه های سلولی که محصولات با ارزش بالا، از جمله داروها و مواد زیستی سازگار با محیط زیست تولید می کنند، استفاده شود.

سئو گفت: "این مطالعه فراتر از دیدگاه مرسوم تمرکز بر مراحل رونویسی و ترجمه هنگام تنظیم بیان ژن است و بعد جدیدی از "مهندسی توپولوژی RNA" را معرفی می کند که در آن ساختار خود RNA تغییر می کند. وی افزود: «از آنجایی که می‌توان آن را با ابزارهای زیست‌شناسی مصنوعی موجود در کنار هم قرار داد، این فناوری می‌تواند نه تنها برای بهبود بهره‌وری کارخانه‌های سلول‌های میکروبی بلکه در زمینه‌هایی مانند توسعه درمان با استفاده از میکروارگانیسم‌های زنده گسترش یابد.»

نویسندگان مشترک Seongjun Park و دکتر Giho Kim تحقیقاتی را در مورد فناوری های کنترل بیان ژن مبتنی بر زیست شناسی مصنوعی و توسعه کارخانه های سلول های میکروبی انجام می دهند. این دو محقق قصد دارند مطالعات بعدی را در زمینه پلتفرم‌های تولید زیستی مبتنی بر مهندسی RNA ادامه دهند.

Seongjun Park و همکاران، قابل برنامه ریزی in vivo mRNA برای افزایش بیان ژن در باکتری ها، تحقیقات اسیدهای نوکلئیک (2026). DOI: 10.1093/nar/gkag854

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →