W badaniu wykorzystano metody sekwencjonowania i syntezy DNA nowej generacji . Wykazano, że tzw. rzadkie kodony umieszczone w pobliżu początku genu mogą usuwać blokady produkcji danego białka. Dzięki lepszemu zrozumieniu w jaki sposób rzadkie kodony kontrolują ekspresję, możemy lepiej projektować geny syntetyzujące enzymy, leki i cokolwiek można wytworzyć w komórce – mówi członek zespołu, dr Sri Kosuri z Wyss Institute.

Komórka aby wyprodukować białko musi posiadać działające kopie genu je kodujące. Każdy aminokwas jest kodowany przez triplet nukleotydów – kodon. 61 kodonów koduje 20 aminokwasów, więc wiele kodonów może kodować jeden aminokwas. Niektóre są używane częściej niż inne. Dlatego też stosuje się podział na kodony preferowane i rzadkie.

Wzór obecności w genie określonych kodonów może wpływać na aktywność transkrypcji, a co za tym idzie wydajność produkcji białka. Zauważono także, że rzadkie kodony pojawiają się częściej w początkowych fragmentach genów. Zauważono też, że im więcej rzadkich kodonów w sekwencjach początkowych, tym więcej białka jest produkowane.

Praktyczne zastosowanie tej obserwacji było jednak częściowo ograniczane przez brak zrozumienia samego mechanizmu takiego działania. Wielu biologów podejrzewało, że rzadkie kodony działają jak "wjazdy na autostradę" dla rybosomów przesuwających się po RNA i produkujących białka. Według tej idei zwanej hipotezą "codon ramp", rybosomy czekają na "podjeździe", następnie stopniowo przyspieszają na nici mRNA, pozwalając komórce produkować białka z zamierzoną prędkością. Bez tego rybosomy poruszałyby się po mRNA z maksymalną prędkością i kolidowały ze sobą, powodując spowolnienie produkcji białka. W innej koncepcji rzadkie kodony działy poprzez wiele różnych mechanizmów. Wymieniany był wpływ na zwijanie struktury mRNA, powodujące zatory dla rybosomów i spowalniające produkcję białek.

Aby sprawdzić która z hipotez jest prawdziwa, zespół z Wyss Institute syntetyzował 14 tys. fragmentów DNA zawierających kodony rzadkie lub preferowane. Poddano je splicingowi w pobliże początków genu GFP i tak przygotowane hybrydy wprowadzano do bakterii. Następnie całą populację posortowano według intensywności świecenia i przeprowadzono sekwencjonowanie w celu sprawdzenia, którą wersję hybrydy genowej zawierają. Wykazano przy tym, że bakterie z genem otwierającym się rzadkimi sekwencjami produkują więcej białka, a pojedynczy kodon tego typu może zwiększyć wydajność nawet 60 razy.

Fragment mapy produktywności bakterii, zawierających odpowiednio spreparowane geny. Wersje posiadające rzadkie kodony i jednocześnie zwinięta strukturę nie były zdolne do wydajnej produkcji białka fluorescencji, w przeciwieństwie do tych jedynie z rzadkimi kodonami. Wskazuje to, że rzadkie kodony działają pośrednio poprzez usuwanie zwiniętych struktur. Wyss Institute

Rezultat był zgodny z hipotezą „codon-ramp”, według której to rzadkie kodony same z siebie są czynnikiem spowalniającym dla kompleksów produkujących białka. Sprawdzono też wpływ zwijania mRNA – im więcej takich struktur wykryto, tym mniej białka produkowały komórki. To z kolei podważyło wcześniejsze założenie.

Aby ostatecznie przetestować hipotezę, wykorzystano dodatkowe wersje mRNA : posiadające rzadkie kodony i nie zwijające się, oraz zwijające się bez kodonów tego typu. Wyniki po obróbce statystycznej pokazały wyraźnie, że to zwijanie się struktury mRNA, a nie obecność rzadkich kodonów samych w sobie wpływa na wydajność produkcji białek. Potwierdziło to jednocześnie ich pośredni wpływ poprzez zmianę struktury przestrzennej mRNA.

Odkrycie pomoże naukowcom projektować bakterie do wytwarzania białek i otwiera drogę do znacznego zwiększenia efektywności produkcji mikrobiologicznej. Ma ono również ogromne znaczenie komercyjne. Badanie podkreśla również wysoką wartość szybkich technik automatyzacji syntetyzowania i analizowania genów opracowanych na potrzeby Platformy Biologii Syntetycznej MAGE, opracowanej na Wyss Institute w jednostce kierowanej przez Georga Churcha.

Prototyp Multiplex Automated Genomic Engineering (MAGE). Działanie opiera się na wykorzystaniu mechanizmów ewolucyjnych na potrzeby biologii syntetycznej. Zamiast projektować genom od podstaw, generowane są mutanty bakterii zawierających syntetyczne fragmenty DNA poprzez min. podmianę alleli. Następnie dokonywana jest selekcja pod kątem ich przydatności przez analizę genomową i fenotypową. Więcej: MAGE Wyss Institute