Лекарства, такие как инсулин для лечения диабета и факторы свертывания крови для лечения гемофилии, сложно синтезировать в лаборатории. Такие лекарства основаны на терапевтических белках, поэтому ученые превратили бактерии в крошечные фабрики по производству белков. Но даже с помощью бактерий или других клеток процесс производства белков для медицинских или коммерческих целей является трудоемким и дорогостоящим.
Теперь исследователи из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе открыли способ увеличить производство белка в тысячу раз. Выводы, опубликованные 18 декабря в Nature Communications, могут помочь увеличить производство и снизить затраты на производство определенных белковых препаратов, вакцин и диагностических средств, а также белков, используемых в пищевой, сельскохозяйственной, биоматериалов, биоэнергетической и химической промышленности.
«Процесс производства белков для медицинских или коммерческих целей может быть сложным, дорогим и трудоемким», - сказал Сергей Джуранович, доктор философии, доцент кафедры клеточной биологии и физиологии и старший автор исследования. «Если вы можете заставить каждую бактерию производить в 10 раз больше белка, вам потребуется только одна десятая объема бактерий, чтобы выполнить работу, что значительно сократит затраты. Этот метод работает со всеми видами белков, потому что это основная особенность универсальный белоксинтезирующий аппарат."
Белки построены из цепочек аминокислот длиной в сотни звеньев. Джуранович и первый автор Манасви Верма, студент-исследователь в лаборатории Джурановича, наткнулись на важность первых нескольких аминокислот, когда эксперимент для другого исследования не дал ожидаемых результатов. Исследователи искали способы контролировать количество белка, вырабатываемого определенным геном.
«Мы изменили последовательность первых нескольких аминокислот и думали, что это не повлияет на экспрессию белка, но вместо этого экспрессия белка увеличилась на 300%», - сказал Джуранович. «Потом мы начали выяснять, почему это произошло».
Исследователи обратились к зеленому флуоресцентному белку, инструменту, используемому в биомедицинских исследованиях для оценки количества белка в образце путем измерения количества производимого флуоресцентного света. Джуранович и его коллеги случайным образом изменили последовательность первых нескольких аминокислот в зеленом флуоресцентном белке, создав 9 261 различных версий, идентичных, за исключением самого начала.
Исследователи обнаружили, что яркость различных версий зеленого флуоресцентного белка варьировалась в тысячу раз от самой тусклой до самой яркой, что указывает на тысячекратную разницу в количестве произведенного белка. С помощью тщательного анализа и дальнейших экспериментов Джуранович, Верма и их сотрудники из Вашингтонского и Стэнфордского университетов определили определенные комбинации аминокислот в третьем, четвертом и пятом положениях в белковой цепи, которые привели к невероятно высокому количеству белка.
Более того, одни и те же аминокислотные триплеты не только увеличили производство зеленого флуоресцентного белка, который изначально происходит от медуз, но и производство белков от отдаленно родственных видов, таких как кораллы и люди.
Выводы могут помочь увеличить производство белков не только для медицинских целей, но и в пищевой, сельскохозяйственной, химической и других отраслях промышленности.
«Существует так много способов, которыми мы могли бы извлечь выгоду из увеличения производства белка», - сказал Джуранович.«В биомедицинском пространстве есть много белков, используемых в лекарствах, вакцинах, диагностике и биоматериалах для медицинских устройств, которые могли бы стать дешевле, если бы мы могли улучшить производство. И это не говоря уже о белках, производимых для использования в пищевой промышленности - есть один, называемый химозин, который очень важен, например, в сыроделии - химической промышленности, биоэнергетике, научных исследованиях и др. Оптимизация производства белка может иметь широкий спектр коммерческих преимуществ».