Команда под руководством Северо-Западного университета разработала новый способ производства белков вне клетки, который может иметь важное значение в терапии и биоматериалах.
Прогресс может сделать возможным децентрализованное производство и процессы распределения белковых терапевтических средств, которые в будущем могут способствовать улучшению доступа к дорогостоящим лекарствам во всем мире.
Команда решила улучшить качество производимых белков in vitro или вне клетки и добилась успеха по ряду направлений.
«Мы разработали бактериальную бесклеточную систему синтеза белка, способную к высокому уровню экспрессии чистых белков, содержащих несколько неканонических аминокислот», - сказал Майкл Джуэтт, доцент кафедры химической и биологической инженерии в школе Маккормика Северо-Западного университета. инженерии. «Это важно, потому что позволяет нам расширить спектр генетически закодированных химических соединений, включенных в белки ранее недостижимыми способами».
Команда, в которую вошли исследователи из Северо-Западного, Йельского университетов и Технологического института Иллинойса, сообщила о своей работе в журнале Nature Communications 23 марта.
Производство белка играет решающую роль в медицине, биотехнологиях и науках о жизни. Например, производство рекомбинантного белка изменило жизнь миллионов людей благодаря синтезу биофармацевтических препаратов, таких как инсулин, и промышленных ферментов, таких как те, которые используются в стиральных порошках. Традиционно производство белка осуществляется в живых клетках на крупных централизованных производственных предприятиях.
"В качестве альтернативы, бесклеточный синтез белка берет клетку, отрывает клеточную стенку и собирает внутренности клетки. Затем мы используем это для создания белка без живого, неповрежденного организма", - сказал Джуэтт, который также является содиректором Северо-Западного центра синтетической биологии. «Вы можете себе представить, что я взял машину, открыл капот, вынул двигатель и поставил его здесь, на подъездной дорожке. Теперь я могу использовать его для чего-то другого».
Не беспокоясь о сохранении жизни клетки, этот процесс открывает множество возможностей, включая синтез новых классов ферментов, терапевтических средств, материалов и химических веществ с разнообразным химическим составом. Живая клетка может отказаться, когда ее попросят сделать что-то, чего она не видела в своей эволюционной биологии, но не в случае с платформой бесклеточного синтеза белка (CFPS).
Проблема до сих пор заключалась в том, что попытки использовать системы CFPS для увеличения количества неканонических аминокислот были ограничены конкуренцией с естественным механизмом, который прекращает синтез белка. В результате производство белков с различным химическим составом с высокой чистотой и выходом представляет собой сложную задачу.
Но Джеветт и его команда добились самых высоких выходов белков с неканоническими аминокислотами, когда-либо зарегистрированных для систем in vitro, что позволяет предположить, что долгосрочное коммерческое применение для CFPS может быть реалистичным.
Джьюэтт приписал прорыв двум элементам. Первой была идея использования геномно перекодированного организма бактерий Escherichia coli, в котором отсутствовал фактор высвобождения 1.
«Это важно, потому что это дало нам открытый канал кодирования для включения новой химии», - сказал он. «Попытки разработать бесклеточный синтез белка из этого штамма никогда раньше не предпринимались».
Второй элемент предоставлен ученицей Джуэтта, Рей Мартин, ведущим автором статьи.
Джьюэтт сказал, что когда они впервые попытались использовать штамм, они не смогли произвести достаточное количество белка.
«Моя студентка Рей применила очень инновационную стратегию: она нашла гены в хромосоме этого организма, которые, как мы думали, негативно влияют на нашу способность производить белок», - сказал Джуэтт. «Он функционально инактивировал их, чтобы обеспечить более высокий выход бесклеточного синтеза белка».
Джьюэтт сказал, что Мартин на этом не остановился.
«Рей оптимизировал бесклеточную среду, чтобы можно было включить несколько идентичных неканонических аминокислот», - сказал Джуэтт. Там, где раньше исследователи использовали только один или несколько экземпляров, он сказал, что его команда смогла включить до 40 сайтов без видимых продуктов усечения.
«Это означает, что мы действительно можем коренным образом изменить свойства белковых полимеров уникальными и новыми способами», - сказал Джуэтт. «И вы можете спросить: «Ну, что вы собираетесь с этим делать?» С исследовательской точки зрения, раньше у нас не было такой возможности, поэтому мы не могли даже задать вопрос."
Jewett представляет себе применение не только лекарств, но и биоматериалов для систем доставки лекарств, медицинских материалов, таких как хирургические нити, и функционализированных биополимеров.
«Особенность этой платформы в том, что она уже используется во многих других областях проекта в лаборатории», - сказал Джуэтт. «У него есть потенциал, чтобы открыть совершенно новую область исследований в области химии материалов для биотехнологии и, в более широком смысле, может открыть новые парадигмы биопроизводства вакцин и терапевтических средств по требованию».