Un código xenético expandido ou ampliado é un código xenético modificado artificialmente no cal un ou máis codóns específicos foron reasignados para codificar un aminoácido que non está entre os 22 aminoácidos proteinoxénicos comúns codificados naturalmente.
Os elementos clave para crear un código xenético expandido son: o aminoácido non estándar a codificar, un codón non usual que adoptar, un ARNt que recoñeza ese codón, e unha ARNt sintetase que recoñeza só ese ARNt e só o aminoácido non estándar.
A expansión do código xenético é un eido de investigación da bioloxía sintética, unha disciplina de bioloxía aplicada que ten como fin modificar por enxeñaría os sistemas vivos para propósitos útiles. A expansión do código xenético enriquece o repertorio de ferramentas útiles dispoñibles pola ciencia.
En maio de 2019 os investigadores, nun esforzo notable, informaron da creación dunha nova forma sintética (posiblemente artificial) de vida viable, unha variante da bacteria Escherichia coli, reducindo o número natural de 64 codóns no xenoma bacteriano a 61 codóns, dos cales 59 se usaron para codificar 20 aminoácidos, para o cal eliminaron dous dos seis codóns que codifican a serina e un dos tres codóns de stop.
Introdución miniatura|300px|O código xenético natural dos seres vivos. Coa expansión do código xenético preténdese variar o significado dalgún dos codóns para que codifique un aminoácido diferente do natural que lle corresponde. É salientable que o código xenético de todos os organismos vivos sexa esencialmente o mesmo, de modo que todos os seres vivos usan a mesma ’linguaxe xenética’ para 'escribir' as súas variadas informacións xenéticas. En xeral, a introdución de novos aminoácidos non naturais funcionais nas proteínas das células dos seres vivos rompe esa universalidade da linguaxe xenética, o cal idealmente podería levar a crear formas alternativas de vida. As proteínas prodúcense grazas ás moléculas do sistema traducional, que descodifican as mensaxes dos ARN creando unha cadea de aminoácidos. A tradución da información xenética contida no ARN mensaxeiro (ARNm) a unha proteína é catalizada polos ribosomas. Os ARN transferentes (ARNt) utilízanse como claves para descodificar o ARNm ao polipéptido codificado. O ARNt recoñece un codón específico de tres nucleótidos no ARNm por medio dunha secuencia complementaria chamada anticodón que ten nun dos seus bucles. Cada codón de tres nucleótidos (triplete) é traducido a algún dos vinte aminoácidos naturais habituais nas proteínas. Hai polo menos un ARNt para cada codón, e ás veces múltiples codóns codifican o mesmo aminoácido, o que se chama dexeneración do cçodigo xenético. Moitos ARNts son compatibles con varios codóns. Un encima chamado aminoacil ARNt sintetase une covalentemente o aminoácido ao ARNt apropiado. A maioría das células teñen unha sintetase diferente para cada aminoácido (hai 20 sintetases ou máis). Por outra parte, algunhas bacterias teñen menos de 20 aminoacil ARNt sintetases, e introducen os "aminoácidos perdidos" por modificación dun aminoácido estruturalmente relacionado por medio dun encima aminotransferase. Unha característica aproveitada na expansión do código xenético é que a aminoacil ARNt sintetase a miúdo non recoñece a zona do anticodón, senón outra parte do ARNt, o que significa que se o anticodón mutase a codificación dese aminoácido cambiaría a un novo codón. No ribosoma a información do ARNm é traducida a aminoácidos específicos cando o codón do ARNm coincide co anticodón complementario dun ARNt, e o aminoácido unido engádese á cadea polipeptídica en crecemento. Cando se libera do ribosoma, a cadea polipeptídica sofre un pregamento orixinando unha proteína funcional.
Para incorporar un novo aminoácido ao código xenético cómpren varios cambios. Primeiro, para unha tradución con éxito dun novo aminoácido, o codón ao cal se asigna o novo aminoácido non pode xa codificar un dos 20 aminoácidos naturais. Xeralmente, utilízase un codón sen sentido (codón de stop) ou un codón de catro bases (os normais son de tres bases ou tripletes). Segundo, é necesario un novo par de ARNt e aminoacil ARNt sintetases, estes chámanse o conxunto ortogonal. O conxunto ortogonal non debe interferir cos conxuntos de ARNt e sintetases, pero debe seguir sendo compatible funcionalmente co ribosoma e outros compoñentes do aparato de tradución. O sitio activo da sintetase é modificado para que acepte só o novo aminoácido. Habitualmente, críbase unha biblioteca de sintetases mutantes buscando unha que cargue o ARNt co aminoácido desexado. A sintetase é modificada tamén para que recoñeza soamente o ARNt ortogonal. O par formado polo ARNt e a sintetase adoita ser modificado por enxeñaría noutras bacterias ou en células eucariotas.
Nesta área de investigación, os 20 aminoácidos proteinoxénicos codificados denomínanse aminoácidos estándar ou alternativamente canónicos ou naturais, mentres que os aminoácidos engadidos son denominados aminoácidos non estándar (NSAAs), non naturais. Non obstante, hai que matziar o uso dos termos aminoácido natural e non natural, porque, por exemplo, a fosfoserina é un aminoácido que aparece de forma natural nas proteínas como unha modificación postraducional, pero non se introduce na proteína directamente na tradución porque ningún codón a codifica (é un aminoácido non proteinoxénico); porén, á fosfoserina pode asignárselle experimentalmente un codón (por expansión do código xenético) e dese modo si sería introducida directamente na tradución. Hai outros aminoácidos usados na expansión do código xenético que non aparecen nunca na natureza.
Aminoácidos non estándar
miniatura|800px|A tirosina e algunhas variantes sintéticas da tirosina usadas para o etiquetado de proteínas. Sintetizáronse diferentes variantes da tirosina e poden ser incorporados nas proteínas usando un código xenético expandido. As variantes mostradas aquí son todas utilizadas para ligazóns químicas ou fotoquímicas. Isto significa que o aminoácido incorporado reacciona especificamente con un grupo químico determinado (como hidrazidas, aminas, azidas ou tiois ou pode ser activado por luz UV para estableces enlaces crzados con outros aminoácidos. O primeiro elemento do sistema é o aminoácido que se engadiu ao código xenético dunha certa cepa de organismo.
Engadíronse uns 71 aminoácidos non estándar a diferentes cepas de E. coli, lévedos ou células de mamíferos. Debido a detalles técnicos (síntese química máis doada de aminoácidos non estándar, menos interacción e evolución máis fácil da aminoacil-ARNt sintetase), os aminoácidos non estándar son xeralmente máis grandes que os estándar e a maioría adoita ter un núcleo defenilalanina pero cunha gran variedade de substituíntes diferentes. Isto permite un gran repertorio de novas funcións, como as seguintes: funcionar como etiquetas (ver figura), funcionar como reporteiros fluorescentes (por exemplo, a dansilalanina) ou para producir proteínas traducionais en E. coli con modificacións postraducionais eucariotas (por exemplo, fosfoserina, fosfotreonina e fosfotirosina).
O traballo pioneiro fíxoo Rolf Furtner, que sen axuda de ninguén usou o par ARNtPhe/PheRS de lévedo para incorporar p-iodofenilalanina a E.coli.
Os aminoácidos non naturais incorporados ás proteínas comprenden os seguints tipos: aminoácidos que conteñen átomos pesados para facilitar certos estudos de cristalografía de raios X; aminoácidos con novas propiedades estéricas e electrónicas; os aminoácidos que forman fotoenlaces cruzados que poden usarse para probar interaccións proteína-proteína in vitro ou in vivo; aminoácidos que conteñen grupos ceto, acetileno, azida e boronato, que poden usarse para introducir selectivamente un gran número de sondas biofísicas, etiquetas, e novos grupos funcionais químicos nas proteínas in vitro ou in vivo; aminoácidos activos en reaccións redox para sondar e modular a transferencia de electróns; aminoácidos fotoengaiolados e fotoisomerizables para fotorregular procesos biolóxicos; aminoácidos que se unen a metais para a catálise e percepción de ións metálicos; aminoácidos que conteñen que cadeas laterais fluorescentes ou infravermellos activas para sondar estruturas de proteínas e dinámicas; ácidos α-hidroxi e D-aminoácidos como sondas da conformación dos esqueletos das moléculas e interaccións de enlaces de hidróxeno; e aminoácidos sulfatados e miméticos de aminoácidos fosforilados como sondas de modificacións postraducional.
A dispoñibilidade de aminoácidos non estándar require que o organismo os importe do medio ou os biosintetice. No primeiro caso, o aminoácido non natural sintetízase quimicamente primeiro na súa forma L opticamente pura. Despois, engádese ao medio de crecemento da célula. Unha biblioteca de compostos é xeralmente probado para o seu uso na incorporación dos novos aminoácidos, pero isto non é sempre necesario; por exemplo, varios sistemas de transporte poden manexar aminoácidos non naturais con cadeas laterais apolares. No segundo caso, cómpre preparar por enxeñaría unha vía biosintética, por exemplo, unha cepa de E. coli que biosintetiza un novo aminoácido (p-aminofenilalanina) a partir de fontes de carbono básicas e inclúeo no seu código xenético. Outro exemplo: a produción de fosfoserina, un metabolito natural, e consecuentemente necesita a alteración da súa vía para incrementar a súa produción.
Asignación de codóns
Outro elemento do sistema é un codón ao que asignar o aminoácido novo.
Un problema importante para a expansión do código xenético é que non hai codóns libres. O código xenético non ten unha composición non aleatoria que mostre signos que deixen enxergar as fases da súa evolución primordial, porén, desde que se formou quedou 'conxelado' e está case universalmente conserconservado. Non obstante, algúns codóns son máis raros en canto á súa abundancia que outros. De feito, en E. coli (e en todos os organismos) o uso dos codóns non é igual, senón que presenta varios codóns raros (ver táboa despregable), sendo o máis raro (pouco frecuente) o codón de stop 'ámbar' (UAG).
+ TÁBOA: Uso dos codóns en E. coli Codón Aminoácido Abundancia (%) UUU Phe (F) 1,9 UUC Phe (F) 1,8 UUA Leu (L) 1,0 UUG Leu (L) 1,1 CUU Leu (L) 1,0 CUC Leu (L) 0,9 CUA Leu (L) 0,3 CUG Leu (L) 5,2 AUU Ile (I) 2,7 AUC Ile (I) 2,7 AUA Ile (I) 0,4 AUG Met (M) 2,6 GUU Val (V) 2,0 GUC Val (V) 1,4 GUA Val (V) 1,2 GUG Val (V) 2,4 UCU Ser (S) 1,1 UCC Ser (S) 1,0 UCA Ser (S) 0,7 UCG Ser (S) 0,8 CCU Pro (P) 0,7 CCC Pro (P) 0,4 CCA Pro (P) 0,8 CCG Pro (P) 2,4 ACU Thr (T) 1,2 ACC Thr (T) 2,4 ACA Thr (T) 0,1 ACG Thr (T) 1,3 GCU Ala (A) 1,8 GCC Ala (A) 2,3 GCA Ala (A) 0,1 GCG Ala (A) 3,2 UAU Tyr (Y) 1,6 UAC Tyr (Y) 1,4 UAA Stop 0,2 UAG Stop 0,03 CAU His (H) 1,2 CAC His (H) 1,1 CAA Gln (Q) 1,3 CAG Gln (Q) 2,9 AAU Asn (N) 1,6 AAC Asn (N) 2,6 AAG Lys (K) 3,8 AAA Lys (K) 1,2 GAU Asp (D) 3,3 GAC Asp (D) 2,3 GAA Glu (E) 4,4 GAG Glu (E) 1,9 UGU Cys (C) 0,4 UGC Cys (C) 0,6 UGA Stop 0,1 UGG Trp (W) 1,4 CGU Arg (R) 2,4 CGC Arg (R) 2,2 CGA Arg (R) 0,3 CGG Arg (R) 0,5 AGU Ser (S) 0,7 AGC Ser (S) 1,5 AGA Ser (S) 0,2 AGG Ser (S) 0,2 GGU Gly (G) 2,8 GGC Gly (G) 3,0 GGC Gly (G) 0,7 GGA Gly (G) 0,9
Supresión do codón ámbar