Биомолекулы для производственной линии

Целью бесклеточного биопроизводства является промышленное производство белков без использования живых клеток. Этот метод может позволить производить биологические компоненты быстрее и с меньшими затратами ресурсов, чем традиционные техники. Ученые и инженеры из восьми институтов Фраунгофера объединились в междисциплинарном проекте для разработки биореакторов, производящих белки без помощи интактных клеток. Демонстрационные модели реакторов впервые будут представлены публике с 8 по 10 октября 2013 года на выставке BIOTECHNICA в Ганновере.

Такие вещества, как инсулин, антитела для вакцин и противораковых препаратов, ферменты для пищевой, косметической и моющей промышленности, уже производятся в больших масштабах с помощью биотехнологий. Однако спрос на биомолекулы часто по-прежнему удовлетворяется за счет использования живых клеток или организмов. Этот процесс трудоемок, требует много времени, а сами клетки потребляют часть ресурсов для поддержания жизни, что снижает эффективность синтеза белка.

По словам руководителя проекта профессора Франка Фабиана Бира из Института биомедицинской техники Фраунгофера IBMT, главный недостаток клеточных методов заключается в том, что многие белки, такие как мембранные белки или белки, токсичные для клетки в высоких концентрациях, либо невозможно произвести в клетках, либо результаты очень плохие.

Производство белков без клеток

Бесклеточные методы лишены этих проблем, так как используют не целые живые клетки, а только те клеточные элементы, которые необходимы для синтеза белка. Исследователи разрушают клетки, чтобы получить смесь — лизат, — содержащую все необходимые для синтеза компоненты: ферменты, биологически активные органеллы и мембранные части. Желаемые гены можно добавлять непосредственно в лизат, без необходимости трудоемкого встраивания в ДНК клеток.

Совместный проект Фраунгофера направлен на адаптацию этой техники для промышленного производства. Идея возникла в рамках стратегического процесса «Биотехнология 2020+» Федерального министерства образования и научных исследований Германии (BMBF) и получила финансирование в размере 15 миллионов евро; Общество Фраунгофера инвестирует еще 6 миллионов евро.

За два года проекта были достигнуты значительные результаты: разработаны автоматизированные методы сбора клеток и экстракции для производства лизатов из бактериальных, табачных и инсектных клеток. Полностью автоматизированный процесс снабжает эти лизаты аминокислотами и выбранным генетическим материалом для запуска синтеза специфических белков.

Две концепции биореакторов

В настоящее время для промышленного использования тестируются две концепции реакторов:

1. Небольшие синтезирующие камеры с частично проницаемой мембраной, через которую в лизат можно подавать свежие ингредиенты для реакции и удалять вредные метаболиты. Такая система снабжения и утилизации позволяет синтезу белка продолжаться несколько дней.
2. Микрофлюидная платформа, на которой считывание генов и собственно синтез белка происходят в разных местах — аналогично тому, как это происходит у животных и растений. Эта система особенно подходит для лизатов из клеток животных и растений.

Испытательные реакторы — результат интенсивного сотрудничества биологов, физиков, инженеров-механиков и электронщиков из восьми институтов Фраунгофера.

Профессор Бир подчеркивает: «С момента запуска проекта в марте 2011 года мы приложили огромные усилия для производства подходящих лизатов, установления методов измерений и создания компонентов, способных контролировать involved процессы». Он заключает: «Бесклеточные системы еще имеют большой потенциал для улучшения и демонстрируют огромные возможности для того, чтобы сделать крупномасштабное производство важных биомолекул гораздо более экономичным и ресурсосберегающим, чем когда-либо прежде».