Ученые нашли новые методы управления бактериальными фабриками для биотехнологий
Лаборатория Шерил Керфельд сообщила о прорыве в манипулировании миниатюрными фабриками, обнаруженными в бактериях, которые многообещающи для биотехнологий.
Эти фабрики, называемые бактериальными микрокомпартментами, широко распространены в природе и выполняют разные функции. Например, у цианобактерий, получающих энергию от солнца, они помогают создавать высокоэнергетические соединения. В нашем кишечнике патогенные бактерии используют эти фабрики — поскольку процессы внутри них неэффективны снаружи и иногда используют токсичные материалы — чтобы вытеснить «хорошие» бактерии.
Ученые хотят модернизировать фабрики, установив в них новые механизмы для выполнения заданных функций. Синтетические версии могли бы устойчиво производить биотопливо, промышленные материалы и наномедицинские устройства.
Но с фабриками очень сложно работать.
«Современные технологии требуют многих дней для подготовки и извлечения синтетической оболочки фабрики, — говорит Эндрю Хаген, постдок в лаборатории Керфельд. — У нас также были ограниченные возможности для вставки в нее пользовательских механизмов. Я хотел разработать лучшие способы сделать эти две вещи».
В новой публикации в Nature Communications команда MSU-DOE Plant Research Lab представляет новые методы манипулирования фабриками:
- Аффинная очистка на основе комплементации (CAP): быстро проверяет сборку и экстракцию фабрик.
- Инкапсуляция с помощью ковалентной связи (EnCo): помогает предсказуемо вставлять пользовательские механизмы в фабрики.
CAP: Сборка фабрик как футбольных мячей
Фабрики выглядят как футбольные мячи. Их стенки состоят из белковых плиток, имеющих форму шестиугольников и пятиугольников, которые соединяются, образуя оболочку.
В лаборатории ученые полагаются на химические смеси для создания синтетических фабрик. Сложность заключалась в эффективном извлечении готовых фабрик из смесей.
Новый метод показывает более простой способ экстракции:
- Команда создает фабрику, в которой отсутствует один тип белковых плиток стенки. Представьте футбольный мяч без черных пятиугольников.
- Они добавляют метку к отсутствующей плитке. Метка работает как микрочип для идентификации домашнего питомца.
- Они возвращают плитку в смесь, где она встает на место, находя фабрики.
- Команда извлекает фабрику с помощью помеченной плитки, притягивая метку системой, работающей как липучка.
EnCo: молекулярный суперклей
Ученые также сообщают о методе вставки пользовательских ферментов (механизмов) внутрь фабрик. Он основан на новой технологии SPY, работающей как белковый суперклей.
«Система имеет две сущности, SpyTag и SpyCatcher, которые притягиваются друг к другу, — говорит Эндрю. — Мы вставляем «посадочную площадку» SpyCatcher на внутреннюю сторону стенки фабрики. Затем мы добавляем SpyTag на механизм. Оказавшись в одной среде, система SPY соединяется, как клей».
После «склеивания» с фабрикой механизм не может выйти наружу.
Пока команде удалось вставить 60 копий одного фермента в фабрику. Команда стремится увеличить это число, так как одна фабрика может вмещать около 200 копий.
Эндрю добавляет: «Мы даже поместили два белка разного цвета. Мы показали, что можем программировать разные соотношения каждого белка, основываясь на конечном «оттенке» оболочки. Это важно для фабрик, которым потребуются несколько этапов производства».
Будущие направления
Два новых метода хорошо работают вместе. Команда уже произвела оболочку фабрики, вставила механизмы, запечатала и извлекла ее в экспериментах.
Следующий шаг — реализовать потенциал технологии.
Одно из применений — производство химических веществ для промышленности. Другой ученый из лаборатории Керфельд работает над созданием молекулы, которая превращается в каучук — процесс, обычно требующий ископаемого топлива. Команда также рассматривает медицинские применения, такие как вакцины, и экологически чистые энергетические материалы.
«Мы считаем, что другие ученые могут использовать эти методы с разными бактериями и их фабриками, — говорит Эндрю. — Есть хороший шанс, что они будут широко приняты».