Синтетические компартменты «турбонаддувают» бактерии для ускоренного производства белков

Биомедицинские инженеры из Университета Дьюка продемонстрировали новый синтетический подход, который заставляет бактерии производить больше определённого белка, даже тех белков, которые обычно их уничтожают, например, антибиотиков.

Метод заставляет бактерии производить синтетические неупорядоченные белки (эластиноподобные полипептиды, ELP), которые собираются вместе, образуя компартменты — биологические конденсаты. Когда эти конденсаты захватывают мРНК с инструкциями для конкретных белков вместе с механизмом для их реализации, они могут значительно повысить скорость производства белка.

Технология может стать прорывом для отраслей, использующих бактерии для производства широкого спектра продуктов: фармацевтических препаратов, промышленных химикатов и биотоплива.

Результаты опубликованы в журнале Nature Chemistry.

Биологические конденсаты — полезные инструменты, уже широко распространённые в природе. Все клетки используют конденсаты для объединения или разделения биомолекулярных механизмов, чтобы регулировать их активность. С момента открытия явления в 2009 году применение и функции конденсатов стали предметом активного изучения.

«Конденсаты полезны клеткам для временного контроля экспрессии генов в ответ на новые условия или вызовы, потому что, быстро управляя экспрессией генов на уровне производства белка, а не на уровне ДНК, они могут вносить изменения в то, какие белки производятся, за минуты, а не за часы или даже дни», — пояснил Дэниел Шапиро, аспирант из лаборатории Ашутoша Чилкоти.

«Но естественные конденсаты чрезвычайно сложны и трудно поддаются инженерии. Наша лаборатория — одна из немногих, кто заставляет клетки создавать синтетические версии, которые можно специально адаптировать под наши цели».

Лаборатория Чилкоти специализируется на эластиноподобных полипептидах (ELP). Эти длинные неупорядоченные белки похожи на клубок лапши и могут быть настроены на слипание или растворение в зависимости от широкого диапазона переменных, таких как температура или кислотность.

В 2023 году лаборатория первой показала, что бактерии можно запрограммировать на производство этих синтетических неупорядоченных белков и заставить их формировать конденсаты, влияющие на биологические механизмы.

«Та работа показала, что мы, как биомедицинские инженеры, можем проектировать новые молекулярные компоненты с нуля, убеждать клетки производить их и собирать эти части внутри клетки, чтобы создать новую машину», — сказал Чилкоти. — «Это было началом зарождающейся области, которая теперь позволяет нам перепрограммировать жизнь новыми и захватывающими способами».

То исследование, среди прочего, показало, что синтетические биологические конденсаты могут захватывать вместе биомолекулярные механизмы, чтобы ускорить их работу. Но оно не ставило целью конкретно указать клетке, какие процессы ускорять или какие белки производить.

Новая работа развивает эту основу именно для этого. Исследователи заставили бактериальные клетки производить ELP, которые формируют конденсаты и также связываются со специфическими последовательностями РНК, которые копируют и переносят чертежи для сборки белков из ДНК к остальной части клетки. Собирая эти последовательности РНК вместе в плотный конденсат, исследователи полагают, что сделали их более доступными для белкового аппарата клетки.

«Похоже, что вместо того, чтобы скрывать РНК от механизмов клетки, конденсат собирает её в более высокой концентрации в своего рода реакционный тигель, который увеличивает скорость производства белка», — сказал Шапиро. — «Вы можете заставить клетку экспрессировать больше РНК и производить больше своего белка, но как только РНК создана, существует очень мало способов повысить скорость, с которой из неё транслируются белки. Именно это мы и сделали здесь, и это очень интересно».

В дальнейшем исследователи продолжают развивать свою платформу. Например, эксперименты показывают, что если эти конденсаты спроектированы так, чтобы быть более вязкими, они производят меньше белков. Подобные эффекты дают команде рычаги для контроля скорости производства. Шапиро также работает над тем, чтобы увидеть, как структура целевой мРНК влияет на скорость её производства.

Исследование может быть полезно как минимум для двух крупных классов промышленности. Многие биологические терапевтические средства, такие как антитела, вакцины и иммунные белки, производятся в клетках млекопитающих, потому что для них требуется химический механизм, которого нет у бактерий. Используя эти синтетические конденсаты, Шапиро видит путь к объединению необходимых элементов головоломки, чтобы помочь бактериям эффективно создавать эти терапевтические средства.

Другая возможность — использование конденсатов для изоляции производимых белков, чтобы они не могли навредить бактерии-хозяину, что является распространённым препятствием для эффективного производства антибиотиков и других антимикробных белков.