Новая модель дрожжей может улучшить производство белков
Микроорганизмы, такие как пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), можно использовать как клеточные фабрики для производства различных химических соединений и белков, например, распространённых фармацевтических препаратов вроде инсулина. Модифицируя эти фабрики, исследователи стремятся увеличить выход и скорость производственных процессов. В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, учёные в области системной биологии из Технологического университета Чалмерса представили новую модель дрожжей, сосредоточенную на одном из лимитирующих этапов производства в клеточной фабрике — секреторном пути.
Секреторный путь в эукариотических клетках состоит из нескольких различных органелл, участвующих в транспортировке и модификации белков. Этот сложный путь был и остаётся мишенью для улучшения экспрессии рекомбинантных белков в клетках с целью создания эффективных клеточных фабрик. Однако из-за естественной сложности до сих пор не хватало инструментов для систематической оптимизации этого пути для производства любого рекомбинантного белка.
Продвинутая модель может привести к улучшению производства
В своём исследовании учёные представили новую продвинутую геном-масштабную модель секреции белков пекарских дрожжей, названную pcSecYeast.
«Мы стремились систематически понять секрецию белков в дрожжах, чтобы лучше спроектировать дрожжевую клеточную фабрику для рекомбинантного фармацевтического и промышленного производства белков, таких как инсулин и α-амилаза — фермент, превращающий крахмал в сахара», — говорит Фэйран Ли, постдок в области системной и синтетической биологии, первый автор исследования.
Модель предсказывает мишени для модификации
Модель pcSecYeast — первая комплексная и продвинутая модель секреции белков, содержащая детальные процессы синтеза и модификации белков до их зрелой формы в клетке. Эта модель позволяет проводить множественные типы симуляций, включая конкуренцию между рекомбинантными и нативными секреторными белками за ограниченные ресурсы.
«Мы предсказали мишени для модификации (инженерные мишени) для восьми рекомбинантных белков, производимых в дрожжах, и экспериментально подтвердили несколько предсказанных мишеней для α-амилазы. Впервые модель может систематически предсказывать инженерные мишени как в метаболической, так и в белково-секреторной части», — говорит Фэйран Ли.
Рациональный дизайн штаммов клеточных фабрик
Выявляя инженерные мишени (например, мишени для амплификации генов), модель можно использовать для рационального дизайна штаммов клеточных фабрик для промышленного или фармацевтического производства белков.
«Модель также облегчает in silico тестирование различных гипотез об экспрессии и секреции белков, что углубит фундаментальное понимание сложного секреторного пути», — добавляет Фэйран Ли.
Учёные также проверили несколько гипотез и выявили, что так называемая способность к ретротранслокации может предотвращать деградацию избыточного неправильно свёрнутого белка. Это может привести к накоплению таких белков, что связано с человеческими заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера и Паркинсона.