Ilmuwan Yale Memprogram ulang kode genetik untuk menciptakan organisme sintetis revolusioner
Para peneliti Yale telah menciptakan “oker,” sebuah organisme yang dikodekan secara genom yang memungkinkan produksi protein sintetis dengan sifat baru, membuka jalan bagi aplikasi inovatif dalam kedokteran, bioteknologi, dan industri.
Ahli biologi sintetis dari Yale berhasil menulis ulang kode genetik suatu organisme – sebuah novel yang secara genomis ulang organisme (GRO) dengan kodon berhenti tunggal – menggunakan platform seluler yang mereka kembangkan yang memungkinkan produksi kelas baru protein sintetis. Para peneliti mengatakan protein sintetis ini menawarkan janji aplikasi medis dan industri yang tak terhitung banyaknya yang dapat menguntungkan masyarakat dan kesehatan manusia.
Sebuah studi baru yang diterbitkan dalam jurnal Alam Menjelaskan penciptaan Gro landmark, yang dikenal sebagai “oker,” yang sepenuhnya memadatkan kodon redundan (atau “degenerasi”) menjadi satu kodon. Kodon adalah urutan tiga nukleotida DNA atau RNA Kode untuk amino tertentu asamyang berfungsi sebagai blok bangunan biokimia untuk protein.
“Penelitian ini memungkinkan kami untuk mengajukan pertanyaan mendasar tentang kelenturan kode genetik,” kata Farren Isaacs, profesor biologi molekuler, seluler, dan perkembangan di Yale School of Medicine dan rekayasa biomedis di Fakultas Seni dan Ilmu Pengetahuan Yale, yang merupakan penulis co-senior dari kertas tersebut. “Ini juga menunjukkan kemampuan untuk merekayasa kode genetik untuk memberikan multi-fungsionalitas ke dalam protein dan mengantarkan era baru bioterapi dan biomaterial yang dapat diprogram.”
Membangun terobosan masa lalu dalam pengodean ulang genomik
Landmark Advance dibangun pada studi 2013 oleh tim, yang diterbitkan di Sainsyang menggambarkan pembangunan GRO pertama. Dalam studi itu, para peneliti menunjukkan solusi baru untuk melindungi organisme yang direkayasa secara genetik dan untuk memproduksi kelas-kelas baru protein sintetis dan biomaterial dengan “tidak wajar,” atau kimia yang dibuat manusia.
Oker adalah langkah utama menuju menciptakan kode genetik yang tidak berlebihan E. colisecara khusus, yang cocok untuk menghasilkan protein sintetis yang mengandung banyak sintetis yang berbeda asam amino.
Jesse Rinehart, seorang profesor fisiologi seluler dan molekuler di Yale School of Medicine dan penulis bersama pada penelitian ini, yang disebut Breakthrough sebagai “bagian mendalam dari seluruh teknik genom berdasarkan lebih dari 1.000 suntingan yang tepat pada skala urutan besarnya lebih besar daripada prestasi rekayasa yang telah kami lakukan sebelumnya.”
“Ini adalah teknologi platform baru yang menarik yang membuka serangkaian aplikasi untuk bioteknologi baik di ranah akademik maupun di sektor komersial,” kata Rinehart. “Kami ingin memajukan pengetahuan umum kami tentang sains tetapi kami juga ingin memungkinkan aplikasi industri yang bermanfaat bagi masyarakat.”
Kodon, urutan tiga nukleotida dalam DNA atau RNA, bertindak seperti “manual instruksi” untuk sintesis protein, memberi tahu sel mana dari 20 asam amino alami untuk menambah rantai protein yang tumbuh (atau, dalam kasus kodon “berhenti”, menandakan penghentian sintesis protein). Dalam proses ini, yang dikenal sebagai terjemahan, informasi genetik yang dibawa dalam RNA messenger (mRNA), melalui kode genetik, menentukan tidak hanya urutan asam amino tetapi juga ketika proses harus dimulai dan berhenti.
Memprogram ulang kode genetik untuk fungsi novel
Michael Grome, rekan postdoctoral dalam biologi molekuler, seluler, dan perkembangan di Yale dan penulis pertama penelitian, menyamakan kodon dengan kata tiga huruf dalam kalimat dalam resep genetik seumur hidup. Di dalam sel, katanya, ada ribosom yang bertindak seperti printer 3-D yang membaca resep. Setiap kata membutuhkan satu asam amino “bahan” dari antara daftar 20 asam amino alami yang membentuk protein.
“Banyak dari kata -kata ini setara, atau identik,” kata Grome. “Kami mulai menambahkan lebih banyak bahan untuk membangun protein, jadi kami mengambil tiga kata ini untuk 'berhenti' dan membuatnya satu.
Secara khusus, para peneliti menghilangkan dua dari tiga kodon berhenti yang mengakhiri produksi protein. Genome yang dikodekan menugaskan empat kodon ke fungsi non-degenerasi, termasuk dua kodon stop yang dikodekan ulang yang didedikasikan untuk mengkode non-standar, atau asam amino yang tidak alami menjadi protein. Selain memperkenalkan ribuan pengeditan yang tepat di seluruh genom, karya tersebut membutuhkan desain yang dipandu AI dan rekayasa ulang protein esensial dan faktor terjemahan RNA untuk membuat strain yang mampu menambahkan dua asam amino tidak standar ke dalam buku resepnya. Asam amino tidak standar ini mengilhami protein dengan banyak sifat baru, seperti biologi yang dapat diprogram dengan berkurangnya imunogenisitas (kemampuan zat untuk menginduksi respons imun dalam tubuh) atau biomaterial dengan peningkatan konduktivitas.
Hasilnya mencerminkan pekerjaan pengodean ulang selama bertahun -tahun oleh dua laboratorium di Yale Systems Biology Institute di Kampus Barat. Kolaborasi antara Rinehart dan Isaacs berasal dari 2010 ketika mereka mulai bekerja di laboratorium tetangga. Isaacs telah lama tertarik pada genom teknik – seperti, katanya, seorang arsitek mungkin merencanakan dan membuat perubahan pada bangunan. Pekerjaan Rinehart berfokus pada protein – bagaimana mereka dibuat dan bagaimana panggung dapat ditetapkan bagi mereka untuk melakukan tindakan lain.
“Kami mengakui bahwa kami memiliki keahlian yang saling melengkapi dan bahwa kedua laboratorium membawa serangkaian keahlian dan kemampuan yang luas,” kata Rinehart.
Isaacs bersemangat tentang apa yang ia gambarkan sebagai aplikasi “pembunuh” yang berpotensi untuk biologis protein yang dapat diprogram yang akan dimungkinkan oleh platform baru. Salah satu aplikasi tersebut melibatkan obat protein rekayasa dengan kimia sintetis untuk mengurangi frekuensi dosis atau respon imun yang tidak diinginkan. Tim melaporkan aplikasi seperti itu menggunakan GRO generasi pertama mereka dalam studi 2022. Dalam penelitian itu mereka mengkodekan asam amino non-standar menjadi protein, menunjukkan pendekatan yang lebih aman dan dapat dikendalikan untuk menyesuaikan waktu paruh biologis protein.
Sel oker baru memperluas kemampuan ini untuk digunakan dalam pembangunan biologi multi-fungsional. Isaacs dan Rinehart saat ini bertindak sebagai penasihat untuk Pear Bio, spin-off bioteknologi Yale yang telah melisensikan teknologi untuk mengkomersialkan biologi yang dapat diprogram.
Referensi: “Teknik Organisme yang Diubah Secara Genomis Dengan Satu Kodon Stop” oleh Michael W. Grome, Michael Ta Nguyen, Daniel W. Moonan, Kyle Mohler, Kebron Gurara, Shenqi Wang, Colin Hemez, Benjamin J. Stenton, Yunteng Cao, Felix Radford, Mayaize, Benjamin J. Rogulina, David Sozanski, Jesse Tordoff, Jesse Rinehart dan Farren J. Isaacs, 5 Februari 2025, Alam.
Doi: 10.1038/s41586-024-08501-x
