Российские ученые разработали систему, которая позволяет управлять производством нужных белков в отдельных бактериальных клетках и повышать эффективность работы всей популяции. Технология помогает преодолеть «клеточный эгоизм», когда одни микроорганизмы активно вырабатывают белок, а другие при тех же условиях почти не работают. Такая неоднородность снижает выход продукта и затрудняет масштабирование производства. Разработка может найти применение в синтетической биологии и в перспективе позволит создавать новые лекарства и биологически активные добавки. Однако пока результаты получены только в лабораторных условиях, а для перехода к промышленным объемам потребуются дополнительные исследования, рассказали «Известиям» специалисты.

В МФТИ разработали инновационную систему управления экспрессией генов в бактериях, которая позволяет контролировать производство целевых белков на уровне отдельных клеток. Создание популяций микроорганизмов с заданной интенсивностью синтеза белка открывает новые возможности для синтетической биологии и промышленной ферментации.

Бактерии широко используют в качестве биологических фабрик для производства белков, нуклеиновых кислот, органических соединений и других веществ, рассказали ученые. Однако эффективность таких процессов ограничена неоднородностью популяции. Исследователи лаборатории молекулярной генетики МФТИ предложили решение одной из проблем биотехнологии — так называемого клеточного эгоизма, когда в одинаковых условиях одни бактерии активно производят целевой белок, а другие практически не участвуют в синтезе.

— Чтобы заставить бактерию синтезировать нужный белок, инженеры проводят генетическую модификацию: доставляют в клетки инструкции в виде молекул ДНК-векторов, содержащих гены, которые позволяют управлять процессом синтеза, — рассказал «Известиям» старший научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики МФТИ Сергей Баженов.

При этом разные ДНК-векторы отличаются возможностями по регулированию и поддержанию заданного уровня производства белка. Когда исследователи пытаются настроить синтез нужного соединения, культура бактерий нередко ведет себя не как единая система, а как совокупность независимых клеток. После добавления индуктора — вещества, запускающего синтез, — часть популяции начинает активно производить белок, тогда как другая остается практически не вовлеченной в процесс.

Для биотехнологического производства такая неоднородность означает снижение общей производительности, увеличение метаболической нагрузки на клетки и сложности при масштабировании процессов. Ученые давно искали способ добиться согласованной работы бактерий, и ключ к решению, как выяснилось, удалось найти в морской среде.

Разработчики использовали способность бактерий обмениваться химическими сигналами. Для этого в генетическую конструкцию добавили гены морской бактерии Aliivibrio logei, обитающей в холодной воде. Такой механизм коммуникации называется кворум-сенсингом, или чувством кворума. Он позволяет бактериям координировать поведение в зависимости от плотности популяции: когда клеток становится достаточно много, они синхронно активируют определенные гены, например отвечающие за биолюминесценцию или формирование биопленок.

— В новой работе мы показали, что запуск синтеза и регуляция его интенсивности происходят во всех клетках одинаково, и не происходит разделения культуры на «трудяг» и «лентяев», — отметил Сергей Баженов.

Исследование помогает лучше понять, как бактериальная популяция обрабатывает и распределяет химические сигналы. Разработанная система представляет собой модельную платформу для изучения этих процессов в контролируемых условиях и может стать эффективным инструментом для биотехнологии бактерий, заключили ученые.

Бактерии давно работают в биотехнологии как микрофабрики для производства лекарственных белков, но у них есть слабое место: в одной и той же колбе часть клеток работает на полную мощность, а часть бездействует, пояснила «Известиям» молекулярный биолог Арина Холькина. Это снижает выход продукта и мешает масштабировать производство.

— Ученые из МФТИ решили эту проблему, встроив в бактерии гены холодолюбивой морской бактерии, —рассказала эксперт.

Сам по себе принцип управляемой экспрессии генов не нов: существуют химические индукторы, с помощью которых можно регулировать количество синтезируемого белка, а также системы, чувствительные к температуре. Однако особенность новой работы заключается в другом, пояснил «Известиям» руководитель центра превосходства «Персонифицированная медицина» Казанского (Приволжского) федерального университета Альберт Ризванов.

— Ученые показали, что разработанная ими система позволяет достаточно плавно менять уровень экспрессии не просто в среднем по всей культуре бактерий, а практически в каждой отдельной клетке, — пояснил ученый.

На практике такой подход дает дополнительный инструмент для точного управления бактериальной «фабрикой». Синтез белка можно автоматически запускать при достижении определенной плотности культуры или регулировать с помощью химического сигнала, а затем достаточно быстро останавливать повышением температуры. Это особенно полезно при работе с белками, избыток которых токсичен для клетки, а также в случаях, когда необходимо получить строго заданный объем продукта, отметил эксперт.

По словам специалиста по биоматериалам и тканевой инженерии рынка НТИ «Хелснет» Людмилы Быстрицкой, технология может найти применение прежде всего там, где важна воспроизводимость каждой партии: при производстве рекомбинантных ферментов, компонентов диагностических наборов и белковых антигенов для вакцин. В фундаментальной биологии преимущество такого подхода заключается в возможности задавать фиксированное число копий белка в каждой клетке. Это позволяет корректно изучать дозозависимые эффекты и функции белков.

— При этом стоит учитывать, что результат получен в лабораторном масштабе, и переход к промышленным объемам потребует отдельной проверки стабильности конструкции при длительном культивировании, — отметила она.

Статья опубликована в журнале Biotech. Исследование поддержано Министерством науки и высшего образования и Российским научным фондом.