Лодыри и суперзвёзды микробного производства

Фармацевтические компании часто используют дрожжи для производства лекарств, особенно белков, таких как антитела и ферменты. Ранее считалось, что генетически идентичные дрожжи в одной культуре секретируют такие препараты с одинаковой скоростью. Однако инженеры-химики из MIT сделали удивительное открытие: продуктивность отдельных дрожжевых клеток сильно различается.

Исследовательская группа под руководством доцента химической инженерии Дж. Кристофера Лава обнаружила, что, в то время как небольшая часть дрожжей высокопродуктивна, значительное меньшинство популяции (около 35%) вообще ничего не выделяет. Это открытие, опубликованное в журнале Biotechnology and Bioengineering, может дать фармкомпаниям новые цели для максимизации продуктивности дрожжей.

Учёные изучали штамм дрожжей Pichia pastoris, используемый для производства белков, включая антитела, факторы роста, ферменты и эритропоэтин. В 2008 году продажи таких биопрепаратов в США превысили $45 млрд, причём почти половина из них производится микроорганизмами, включая дрожжи.

Для измерения продуктивности использовалась ранее разработанная Лавом техника микрогравирования, позволяющая анализировать количество белков, секретируемых отдельными клетками. Клетки помещали в индивидуальные лунки на мягкой резиновой поверхности, а затем с помощью этого массива «печатали» производимые клетками белки на поверхность идентичных стеклянных слайдов. Измеряя количество белка от каждой клетки, можно определить её продуктивность.

Дрожжи в исследовании были модифицированы для производства фрагмента молекулы человеческого антитела. В ходе более длительного восьмичасового эксперимента были выявлены три субпопуляции клеток:

• Секретирующие очень мало белка.
• Секретирующие стабильно высокое количество.
• Колеблющиеся между состояниями высокой и низкой продуктивности.

Поскольку используемые дрожжи генетически идентичны, различия в продуктивности не могут быть обусловлены генетикой. Вероятно, причина эпигенетическая — связана с различиями в посттрансляционной обработке белков, такой как сворачивание и секреция из клетки.

Одна из гипотез — стресс, вызванный необходимостью сверхэкспрессии неестественного для клетки продукта, что может перегружать аппарат сворачивания белков и секреторные пути. Когда клетка перегружена, ей нужно остановиться и «перезагрузиться».

В будущем исследователи надеются выяснить причины такой вариабельности, что может привести к новым способам увеличения выхода лекарств за счёт повышения продуктивности низкопродуктивных клеток.