Новый метод вскрытия клеток для поиска полезных ферментов
Природный мир — это кладезь потенциально полезных ферментов, скрытых в микроорганизмах вокруг нас. Но найти их сложно. Исследователи из Норвежского университета естественных и технических наук (NTNU) разработали новый метод вскрытия клеток, который может помочь в этом поиске.
Ферменты — это биологические катализаторы, которые могут сделать промышленные процессы дешевле, менее токсичными и более устойчивыми. Например, в 2016 году японские исследователи обнаружили бактерию, использующую два фермента для разложения пластика.
«Природа обладает огромной способностью производить ферменты», — говорит Рахми Лале, специалист по синтетической биологии из NTNU.
Лале и его коллеги разработали новую контролируемую технику вскрытия клеток — важный этап в скрининге полезных ферментов. Ключевое отличие метода в том, что он оставляет часть клеток неповреждёнными, позволяя их восстановить и изучить подробнее. Работа, частично финансируемая Исследовательским советом Норвегии и программой ЕС HORIZON 2020, опубликована в журнале ACS Synthetic Biology.
Миллионы клеток
Поиск нового фермента в природе начинается с выбора среды, где могут обитать нужные микробы. Например, в пустыне ищут термостойкость, а в кишечнике человека — ферменты, расщепляющие углеводы.
Затем исследователи извлекают генетический материал из образца (например, почвы), выделяют эту средовую ДНК, разрезают её в лаборатории и встраивают в хорошо изученные микроорганизмы, такие как E. coli (процесс клонирования). Это создаёт огромное количество микробов, каждый из которых может содержать искомое.
«Внезапно у вас появляются сотни миллионов разных клеток. Каждая из них несёт что-то уникальное, но вы не знаете, какие содержат то, что вас интересует», — говорит Лале.
Скрининг кандидатов
Использование микрофлюидики (жидкостей, текущих по крошечным каналам на чипе) позволяет проводить скрининг микробов в 10 000 раз быстрее, чем предыдущие методы.
Микробы помещаются в капли воды в масляной среде. Но поскольку большинство потенциально полезных ферментов находятся внутри клеток, их нужно вскрыть для тестирования.
Для этого Лале и его коллеги разработали систему, которая целенаправленно прокалывает мембрану клетки, чтобы её содержимое вытекло в окружающую среду. Там его можно проверить на наличие нужного фермента.
«У нас есть субстрат, который ждёт, когда фермент придёт и вступит с ним во взаимодействие», — объясняет Лале. Если есть совпадение, произойдёт реакция.
Контроль над отверстиями
Стандартный способ разрушения клеточной мембраны (лизис) с помощью химического раствора гарантированно убивает все клетки в капле. Это проблема для исследователей, которые хотят детально изучить микроб, продуцирующий интересный фермент.
В отличие от химического лизиса, система «лизиса по требованию» управляется концентрацией индуцирующего вещества. Это позволяет исследователям намеренно оставлять часть клеток целыми для последующего восстановления.
«Поскольку мы можем контролировать количество создаваемых отверстий, мы можем контролировать и количество погибающих клеток. Мы не убиваем их все, и это важно», — подчёркивает Лале.
Если в конкретной капле происходит что-то интересное, её можно восстановить. «Мы можем взять каплю, поместить её в питательную среду, и на следующий день снова получить миллиард клеток. Тогда восстановление ДНК становится очень простой задачей».
От северной Норвегии до британской компостной кучи
Метод не только ускоряет поиск полезных молекул в природе, но и помогает исследователям направлять микробов на создание ферментов с заданными свойствами.
Вводя генетические мутации в лаборатории, можно «подтолкнуть» микроб в разных направлениях, а затем с помощью микрофлюидного скрининга и системы контролируемого лизиса найти тот вариант, который ближе к производству нужного фермента.
Лале и его коллеги подали заявку на грант для дальнейшего изучения этого аспекта в рамках консорциума под руководством коллег из Кембриджского университета (Великобритания). Они планируют использовать систему для анализа образцов ДНК из различных сред с высоким потенциалом: от холода северной Норвегии и жаркого климата южной Испании до британской компостной кучи.
«Если заглянуть в такие интересные среды, шансы найти что-то повышаются», — заключает Лале.