Биология

Искусственные бактерии помогут в производстве белков

Army Research Laboratory

Создан новый метод производства труднодоступных белков с помощью искусственно созданных бактерий. В будущем это может быть полезно в космических полетах. Ученые представят свои результаты на Национальном собрании и выставке Американского химического общества (ACS).

Некоторые природные материалы на основе белков обладают уникальными механическими свойствами, что позволяет им конкурировать даже с лучшими синтетическими материалами. Например, паучий шелк прочнее и жестче стали.

«В природе есть много материалов на основе белка, которые обладают удивительными механическими свойствами, но поставки этих материалов очень часто ограничены, — говорит Фужонг Чжан, главный исследователь проекта. — Наша лаборатория заинтересована в разработке таких бактерий, которые могли бы не только производить эти материалы, но и делать их еще лучше».

При изготовлении в достаточных количествах шелк паука можно было бы использовать для самых разных целей: от создания пуленепробиваемой ткани до хирургических швов. Но шелк пауков нелегко добывать — членистоногие производят его в крошечных количествах, и некоторые виды становятся каннибалами. Поэтому ученые пытались «сконструировать» бактерии, дрожжи, растения и даже коз для производства шелка паука, но полностью воспроизвести механические свойства натурального волокна до сих пор так и не удавалось.

Частично проблема заключается в том, что белки шелка паука кодируются очень длинными повторяющимися последовательностями ДНК. В процессе эволюции у пауков выработались способы сохранить эти последовательности в своем геноме. Но когда ученые внедряют их ДНК в другие организмы, гены становятся очень нестабильными. Клеточные механизмы хозяина часто отрезают их или изменяют иным образом. Фужонг Чжан и его коллеги из Вашингтонского университета пытались разработать метод, при котором они бы сначала разрезали длинные повторяющиеся последовательности на более короткие части, которые бактерии смогли бы использовать и превращать в белки, а затем собирать короткие белки в более длинное шелковое волокно паука.

Команда ввела бактериям гены, которые кодируют два фрагмента белка шелка паука, каждый из которых сопровождался последовательностью, называемой расщепленным интеином. Расщепленные интеины представляют собой встречающиеся в природе белковые последовательности с ферментативной активностью: два расщепленных интеина на разных белковых фрагментах могут объединяться, а затем вырезать себя. Таким образом, получается интактный белок, то есть белок, не вовлеченный ни в какой процесс. После введения генов исследователи «взломали» бактерии и очистили короткие кусочки белка шелка паука. Смешивание фрагментов заставило их соединиться вместе через связующий элемент расщепленной интеиновой последовательности, которая затем вырезалась, и получался полноразмерный белок. Искусственно созданное волокно обладает всеми свойствами натурального шелка паука, включая исключительную прочность, ударную вязкость и растяжимость. Исследователи получили больше шелка этим методом, чем могли получить от пауков (целых два грамма шелка на литр бактериальной культуры), и в настоящее время они пытаются увеличить «урожай» еще больше.

Исследователи могут создавать различные повторяющиеся белки, просто заменяя ДНК шелка паука и помещая другие последовательности в бактерии. Теперь ученые работают над оптимизацией процесса, чтобы реакция присоединения белка могла происходить внутри бактериальных клеток. Это улучшит эффективность и потенциальную автоматизацию системы, поскольку исследователям не придется очищать два куска белка, а затем инкубировать их вместе.

«Система производства бактериального белка может быть полезна во время космических полетов, — отмечает Фужонг Чжан. — NASA является одним из наших спонсоров, и они заинтересованы в биопродукции. В настоящее время они разрабатывают технологии, в которых люди могут превращать углекислый газ в углеводы. Эти углеводы затем могли бы использоваться в качестве пищи для бактерий, которые разрабатываем мы. Таким образом, космонавты могли бы производить эти белковые материалы в космосе без привлечения большого количества сырья».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.