Стабилизация лиофилизированного клеточного аппарата открывает перспективы для бесклеточной биотехнологии

Исследователи из Калифорнийского политехнического университета разработали недорогой подход, повышающий полезность бесклеточной биотехнологии для биопроизводства и её портативность для полевого применения.

Бесклеточный синтез белка (CFPS) — это биотехнология, которая использует активный клеточный аппарат в пробирке без живых клеток, позволяя напрямую получать доступ к биохимическим процессам и манипулировать ими. Учёные стремятся применять эту технологию для множества задач, включая биопроизводство биоматериалов и терапевтических средств по требованию, диагностику биомаркеров заболеваний и загрязнителей окружающей среды в местах оказания помощи, а также создание образовательных платформ.

Многие из этих приложений уже реализованы в лаборатории, но их использование в полевых условиях, клиниках и учебных классах затруднено. Клеточный аппарат, извлечённый для бесклеточных систем, содержит биомолекулы (белки, РНК), которые разрушаются при повышенных температурах, что сильно ограничивает срок его хранения. Транспортировка требует постоянного охлаждения для сохранения активности, и эта зависимость от «холодовой цепи» является фундаментальным ограничением для раскрытия потенциала технологии.

Вдохновившись методами хранения биологических материалов (например, коровьего молока), исследователи ранее продлевали срок годности экстрактов с помощью лиофилизации (сублимационной сушки), получая продукт, похожий на сухое молоко, который можно хранить при комнатной температуре. Однако, в отличие от сухого молока, лиофилизированный клеточный аппарат нельзя хранить более нескольких дней без постоянной потери активности. Новое исследование показало, что недорогие консерванты позволяют такому аппарату сохранять полную активность при хранении при комнатной температуре до двух недель.

Для этого междисциплинарная команда под руководством профессоров Джавина Оза, Катарины Уоттс и Пратиша Пателя выбрала 10 консервантов с четырьмя различными механизмами действия и систематически определила наиболее эффективные. Их затем тестировали в комбинациях по два или три. Этот подход позволил выявить комбинации, поддерживающие полную продуктивность клеточного аппарата в течение двух недель. Также было обнаружено, что некоторые комбинации могут почти вдвое повышать его способность производить белок.

Исследователи продемонстрировали, что полезность любого консерванта для стабилизации биологических материалов сильно зависит от контекста. Чтобы преодолеть это ограничение, их данные были использованы для разработки алгоритма машинного обучения, который поможет другим пользователям подбирать оптимальные составы консервантов для их конкретных задач. Доступ к алгоритму через удобный интерфейс вскоре будет открыт на сайте http://www.oza-lab.com.

Эти достижения представляют собой шаг к раскрытию потенциала бесклеточной биотехнологии. Подробнее с работой можно ознакомиться в публикации «Unlocking applications of cell-free biotechnology through enhanced shelf-life and productivity of E. coli extracts» в журнале ACS Synthetic Biology.