Новый метод производства белков вне клетки
Исследователи из Северо-Западного университета разработали новый способ производства белков вне живой клетки, что может иметь важные последствия для терапии и биоматериалов.
Это достижение может сделать возможным децентрализованное производство и распределение белковых терапевтических средств, что в будущем улучшит доступ к дорогостоящим лекарствам по всему миру.
Команда стремилась повысить качество производимых белков in vitro и добилась успеха по нескольким направлениям.
«Мы разработали бактериальную бесклеточную систему синтеза белка (CFPS), способную к высокоуровневой экспрессии чистых белков, содержащих несколько неканонических аминокислот», — сказал Майкл Джуэтт. Это важно, поскольку позволяет расширить диапазон химически закодированной информации, встраиваемой в белки, ранее недоступными способами.
Команда, объединившая исследователей из Северо-Западного университета, Йельского университета и Иллинойсского технологического института, опубликовала свою работу в журнале Nature Communications 23 марта.
Производство белков играет критическую роль в медицине, биотехнологиях и науках о жизни. Например, рекомбинантное производство белков изменило жизнь миллионов людей благодаря синтезу биопрепаратов, таких как инсулин, и промышленных ферментов. Традиционно производство белков осуществлялось в живых клетках на крупных централизованных производственных объектах.
«Бесклеточный синтез белка, по сути, извлекает из клетки её внутреннее содержимое и использует его для производства белка без живого целого организма», — пояснил Джуэтт. Это открывает множество возможностей для синтеза новых классов ферментов, терапевтических средств, материалов и химических веществ с разнообразной химией.
Однако до сих пор попытки использовать системы CFPS для включения множества неканонических аминокислот были ограничены конкуренцией с естественным механизмом, завершающим синтез белка. Это создавало серьёзную проблему для производства белков с разнообразной химией с высокой чистотой и выходом.
Но команда Джуэтта получила самые высокие из когда-либо зарегистрированных для in vitro систем выходы белков с неканоническими аминокислотами, что говорит о реалистичности долгосрочных коммерческих применений CFPS.
Прорыв стал возможен благодаря двум элементам:
- Использованию генетически перекодированного организма Escherichia coli, лишённого фактора терминации 1 (release factor 1). Это создало «открытый кодирующий канал» для включения новой химии.
- Инновационной стратегии аспиранта Рея Мартина, ведущего автора статьи. Он выявил и функционально инактивировал гены в хромосоме этого организма, которые негативно влияли на выход белка в CFPS.
Кроме того, Мартин оптимизировал бесклеточную среду для включения множества идентичных неканонических аминокислот. Команда смогла включить до 40 таких аминокислот в определённые сайты белка без наблюдаемых продуктов усечения.
«Это означает, что мы можем фундаментально изменить свойства белковых полимеров уникальными и новыми способами», — сказал Джуэтт.
Он видит потенциальные применения не только в медицине, но и в биоматериалах для систем доставки лекарств, медицинских материалах (например, хирургических швах) и функционализированных биополимерах.
«Эта платформа уже используется во многих других проектах в лаборатории. Она может открыть совершенно новую область исследований химии материалов для биотехнологий и, в более широком смысле, позволить реализовать новые парадигмы производства вакцин и терапевтических средств по требованию», — заключил Джуэтт.