Peneliti Skoltech dan rekan mereka mempelajari lebih dari 30.000 varian urutan genetik yang mengkode dua protein fluoresen untuk memahami karakteristik mRNA dan sepuluh kodon pertama di dalamnya yang dapat meningkatkan efisiensi proses translasi. Antara lain, mereka menemukan bahwa kodon langka di awal urutan tampaknya tidak meningkatkan efisiensi translasi seperti yang diperkirakan sebelumnya.
Studi ini dipublikasikan dalam jurnal Nucleic Acids Research. Translasi adalah salah satu proses mendasar dalam sel: berdasarkan messenger RNA (diperoleh dari DNA selama transkripsi), ribosom membangun rantai asam amino, yang kemudian dilipat menjadi protein yang dikirim untuk melakukan berbagai fungsi vital.
Setiap asam amino dikodekan oleh kodon, triplet nukleotida dalam rantai mRNA. Secara total, ada 61 kodon untuk 20 asam amino yang dihubungkan oleh ribosom, yang berarti bahwa beberapa kodon adalah sinonim - mereka mengkodekan asam amino yang sama.
Setelah beberapa dekade penelitian, para ilmuwan masih belum sepenuhnya yakin apa yang membuat "pabrik protein" seluler kurang lebih efisien. Misalnya, ada bukti bahwa beberapa struktur sekunder mRNA - seperti yang diletakkan di ruang angkasa pada asalnya - dapat mengganggu ribosom untuk mengikatnya dan melakukan tugasnya.
Faktor lain yang mungkin adalah kodon sinonim yang sama: penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa, mungkin kodon yang lebih jarang digunakan secara statistik dapat meningkatkan efisiensi terjemahan jika terletak di awal kerangka baca terbuka. Kodon-kodon ini memperlambat pergerakan ribosom di sepanjang mRNA pada awalnya, sehingga “antrian” lebih lanjut dari ribosom tidak muncul.
Ini bukan pencarian kosong: mempelajari efisiensi terjemahan akan membantu untuk lebih memahami ekspresi gen dan meningkatkan efisiensi bakteri pekerja keras bioteknologi yang menghasilkan protein yang dibutuhkan. Oleh karena itu, Ilya Osterman dan Zoya Chervontseva dari kelompok Peter Sergiev, Olga Dontsova dan Mikhail Gelfand di Skoltech dan Lomonosov Moscow State University dan rekan mereka memutuskan untuk mengadakan semacam kompetisi: mereka menguji lebih dari 30 ribu varian mRNA yang mengkode protein yang sama untuk memahami opsi mana yang akan memberikan siaran yang lebih efektif.
Para peneliti tertarik pada kodon dengan angka dari 2 hingga 11 (kodon pertama selalu merupakan kodon awal ATG, sama seperti baris pertama dari program apa pun dalam beberapa bahasa pemrograman memberi tahu mesin bahwa kode program akan mengikuti).
Para ilmuwan menggunakan E. coli Escherichia coli dan plasmid - DNA melingkar yang mengkodekan apa yang disebut reporter fluoresen ganda ("duo" dalam hal ini adalah dua protein fluoresen, RFP merah dan CER biru).
Urutan acak dari 30 nukleotida dimasukkan segera setelah kodon awal sehingga menjadi kodon dari yang kedua hingga kesebelas dalam mRNA. Setelah menumbuhkan bakteri dan menyortirnya menurut seberapa efisien mereka dalam memproduksi CER dan RFP, para ilmuwan menggunakan metode flowseq untuk memahami urutan mana yang menghasilkan produksi protein yang lebih efisien.
“Flowseq adalah kombinasi dari flow cytometry (teknik di mana karakteristik fisik dan kimia sel diukur melalui hamburan sinar laser) dan pengurutan fraksi yang terpisah. Metode ini memungkinkan evaluasi efisiensi sintesis protein untuk ribuan varian sekaligus,”kata Ilya Osterman.
Ternyata struktur sekunder mRNA sebenarnya dapat mengganggu terjemahan, tetapi para ilmuwan belum dapat menunjukkan bahwa kodon langka di awal urutan pengkodean protein mempengaruhi terjemahan secara positif. Namun, mereka menemukan bahwa kodon awal tambahan mempromosikan terjemahan yang efisien, sementara sekuens Shine-Dalgarno tambahan yang "memanggil" ribosom ke mRNA, sebaliknya, mengganggunya.
Para peneliti percaya temuan mereka akan membantu mengembangkan konstruksi gen buatan yang lebih efisien yang dapat digunakan untuk mengubah bakteri umum seperti E. coli menjadi alat bioteknologi yang kuat.
Di antara organisasi lain yang ambil bagian dalam penelitian ini adalah Institut Kimia Bioorganik yang dinamai Akademisi MM Shemyakin dan Yu. A. Ovchinnikov, Institut Biologi Kimia dan Kedokteran Dasar SB RAS dan Institut Masalah Transmisi Informasi dinamai AA Kharkevich.