Улучшение промышленного производства лактоферрина с помощью синтетических биологических систем

Лактоферрин (LF) — многофункциональный гликопротеин семейства трансферринов, естественно экспрессируемый в грудном и коровьем молоке. Его название происходит от способности связывать железо.

LF — жизненно важный биоактивный компонент грудного молока, способствующий здоровью и развитию младенцев. Учёные изучают его с 1930-х годов из-за уникальных биологических свойств: роль в иммунном ответе, антибактериальная и противовирусная активность, противовоспалительный эффект.

Однако выделение и очистка LF из молока имеют ограничения, не позволяющие удовлетворить рыночный спрос. Решением стало создание технологий, где микроорганизмы синтезируют LF с помощью генной инженерии — синтетических биологических систем.

В исследовании, опубликованном 20 августа 2024 года в BioDesign Research, группа учёных под руководством доктора Куна Лю из Anhui Polytechnic University (Китай) обсудила дизайн и создание систем экспрессии LF, включая проблемы, решения и возможности.

«Проблему получения LF для рыночных нужд можно преодолеть, производя его в промышленных масштабах с помощью синтетических биологических систем экспрессии, так как структура LF в этих системах очень похожа на натуральную», — говорит Лю.

Структура и стабильность LF

• Молекулярная масса — около 80 килодальтон, состоит из ~700 аминокислот.
• Имеет C- и N-концевые доли. Менее стабильная N-концевая доля содержит сайт связывания железа. Её термостабильность можно повысить, увеличив число дисульфидных мостиков.
• LF подвергается N-гликозилированию, что повышает устойчивость к ферментативному расщеплению и стабильность структуры.

Синтетические биологические системы-хозяева

Исследователи суммировали данные по четырём системам для получения LF с высокой экспрессией:

1. Бактерии (E. coli): Самая популярная система, может производить до 700 мг/л человеческого LF.

   • Проблемы: протеолитическая активность бактерий, отсутствие аппарата для биохимических модификаций, возможный вред синтезированного LF для хозяина.

2. Дрожжи и плесневые грибы: Более конкурентоспособный выбор. Обеспечивают сильную экспрессию LF и могут проводить биохимическую обработку, повышая стабильность белка.

   • Главное препятствие: токсичность вновь произведённого LF для самой системы, что ограничивает уровень экспрессии. Учёные подчеркивают необходимость снижения токсичности LF во время ферментации.

3. Клеточные линии: Потенциально могут синтезировать LF, максимально соответствующий натуральному по структуре и функции.

   • Проблемы: высокая стоимость культивирования, восприимчивость к загрязнению, возможность переноса человеческих патогенов, ограниченное применение в крупномасштабном производстве.

Пути решения проблем

Совладалец-первый автор Чжэнь Тун и исследователь Сюаньци Чжан отмечают ключевые подходы:

• Перепроектировать транспортный механизм организма-хозяина для быстрой секреции произведённого LF во внеклеточную среду.
• Рассмотреть возможность нокаута ключевых ферментов, способных расщеплять LF в организме-хозяине.

Заключение

Использование синтетических биологических систем может решить проблему промышленного получения LF. Контролируемое производство с помощью генной инженерии и взаимодействий с организмом-хозяином открывает двери для применения в пищевой, фармацевтической и других отраслях.