Обычную бактерию модифицировали для производства лекарства на основе сахара
Ученые впервые перепрограммировали обычную бактерию для производства сложной молекулы полисахарида, используемой в фармацевтике и нутрицевтике, что открывает путь к созданию лекарств без использования животных. Исследование, опубликованное в Nature Communications, показало, как модифицированная E. coli производит хондроитин сульфат — препарат, известный как пищевая добавка для лечения артрита, который сейчас получают из трахеи коров.
Генно-инженерная E. coli уже используется для производства многих лекарственных белков, однако потребовались годы, чтобы заставить бактерии синтезировать даже простейшие молекулы из класса сульфатированных гликозаминогликанов — связанных сахаров, часто применяемых в качестве лекарств и БАДов.
«Сложно заставить E. coli производить эти молекулы. Нам пришлось внести множество изменений и сбалансировать их, чтобы бактерии хорошо росли, — говорит ведущий исследователь Маттеос Коффас. — Но эта работа доказывает, что можно производить эти полисахариды с помощью E. coli без использования животных, и процедуру можно расширить для получения других сульфатированных гликозаминогликанов».
В работе также участвовали Джонатан Дордик, пионер в использовании ферментов для синтеза материалов, и Роберт Линхардт, мировой эксперт по гликанам и антикоагулянту гепарину (другому сульфатированному гликозаминогликану, получаемому из кишечника свиней).
Линхардт, создавший первую синтетическую версию гепарина, отмечает ключевое преимущество бактериального производства перед химико-ферментативным синтезом: масштабируемость.
«Если мы делаем хондроитин сульфат химико-ферментативным методом и потратили месяц на 1 грамм, а потом нам нужно 10 грамм, уйдет еще месяц. С ферментацией же вы помещаете модифицированный организм в колбу и получаете материал — будь то 1 грамм, 10 грамм или килограмм. Это будущее», — заявил Линхардт.
Команде пришлось реализовать в бактерии три основных этапа:
- Внедрить кластер генов для производства несульфатированного полисахарида-предшественника.
- Модифицировать бактерию для выработки достаточного количества энергетически «дорогой» молекулы-донора серы.
- Ввести сульфотрансферазный фермент, который переносит молекулу-донор серы на полисахарид-предшественник.
Наибольшую сложность представила работа с сульфотрансферазой, которая в естественных условиях производится более сложными эукариотическими клетками.
«Когда вы извлекаете их из сложной эукариотической клетки и помещаете в E. coli, они вообще не функционируют. Вы получаете просто ничего. Нам пришлось серьезно заняться белковой инженерией, чтобы заставить это работать», — пояснил Коффас.
Ученые сначала определили структуру фермента, а затем с помощью алгоритма идентифицировали мутации, которые позволили создать его стабильную версию, работающую в E. coli.
Хотя модифицированные бактерии пока дают небольшой выход продукта — порядка микрограммов на литр, — они хорошо растут в обычных лабораторных условиях, что является надежным доказательством концепции.