ДНК-гель производит белки без живых клеток

Инженеры-биологи из Корнеллского университета разработали новый эффективный метод производства белков для медицины и промышленности без использования живых клеток. Этот способ позволяет получать множество белков, которые невозможно синтезировать с помощью современных биотехнологий.

Традиционные методы используют чаны с генетически модифицированными бактериями или клетками млекопитающих для производства таких фармацевтических белков, как инсулин или гормон роста. Однако многие белки токсичны для бактерий или клеток-хозяев. Например, антимикробные средства убивают бактерии, а значит, убьют и клетку-производителя. Многие ключевые регуляторные белки также могут убить клетку-хозяина при избыточной экспрессии.

Ранее учёные пытались смешивать в пробирке ДНК, кодирующую целевой белок, с аминокислотами, рибосомами (клеточными структурами, собирающими белки) и другими вспомогательными химическими компонентами. Новый, более быстрый и эффективный процесс от Корнелла заключается в вплетении кодирующей ДНК в искусственный гель из синтетической ДНК.

Метод описан в онлайн-выпуске журнала Nature Materials от 29 марта Дэном Луо, доцентом кафедры биологической и экологической инженерии Корнелла, и его коллегами, и появится в печатном издании.

Группа Луо стала пионером в использовании синтетической ДНК в качестве самособирающегося строительного материала. Цепи ДНК, сконструированные так, чтобы быть комплементарными на небольших участках, могут соединяться, образуя различные структуры. В данном случае они формируют крестообразные элементы, которые, в свою очередь, связываются концами, создавая трёхмерную матрицу. Так получается гидрогель — пористый материал, поглощающий воду, но не растворяющийся в ней.

Чтобы создать белок-продуцирующий гель (P-гель), синтетическую ДНК также модифицируют, добавляя последовательности для связывания с плазмидами — цепями ДНК, кодирующими нужный белок. Смесь X-образной и плазмидной ДНК затем самоорганизуется в гель, в структуру которого по всему объёму интегрированы гены целевого белка. Для увеличения площади реакции крошечные капли P-геля формуют в подложки размером около 1 мм² и толщиной 20 микрон (миллионных долей метра). Несколько сотен таких подложек помещают в раствор аминокислот и белкового синтезирующего аппарата, извлечённого из живых клеток.

В результате, как сообщает Луо, производство белков происходит в 300 раз эффективнее, чем когда те же реакции проводят со свободно плавающей в растворе ДНК. Система уже протестирована с 16 белками, включая несколько токсичных или тех, которые невозможно получить в живых клетках.

Исследователи потратили почти год на изучение причин высокой эффективности процесса и предложили несколько объяснений:

• Гены, зафиксированные в гидрогеле, защищены от повреждений, которым они могут подвергаться в свободном состоянии.
• В P-гель можно «упаковать» гораздо больше ДНК, чем можно растворить в том же объёме жидкости.
• Близкое расположение генов друг к другу позволяет ферментам, участвующим в процессе транскрипции, оставаться рядом и работать быстрее.

Дэн Луо, Алан Билоски, Ph.D. '82, старший преподаватель школы Джонсона, и двое других партнёров основали компанию DNANO для изучения коммерческого применения технологии P-геля и других применений ДНК-материалов.