Улучшение устойчивости модифицированных бактерий к стрессу от нехватки питательных веществ

Исследователи из Бристольского и Гамбургского университетов создали бактерии с внутренними запасами питательных веществ, которые можно использовать для выживания в экстремальных условиях. Результаты, опубликованные в ACS Synthetic Biology, открывают путь к созданию более устойчивых биотехнологий на основе модифицированных микробов.

Доктор Томас Гороховски, соавтор и научный сотрудник Королевского общества в Бристольском университете, отметил: «Многие созданные нами биологические системы хрупки и легко ломаются вне тщательно контролируемых лабораторных условий. Это затрудняет их развертывание и масштабирование».

Чтобы решить эту проблему, команда сосредоточилась на идее создания резервов белка внутри клеток в благоприятные периоды и их расщепления, когда условия ухудшаются и требуются дополнительные питательные вещества.

Клара Шидло, первый автор и аспирант Гамбургского университета, пояснила: «Клеткам для функционирования и выживания нужны строительные блоки, такие как аминокислоты. Мы модифицировали бактерии, чтобы у них был защищенный резерв этих веществ, который можно было бы расщепить и высвободить при нехватке питательных веществ в окружающей среде. Это позволило клеткам продолжать работать в трудные времена и сделало их более устойчивыми к неожиданным вызовам».

Для создания такой системы команда модифицировала бактерии для производства белков, которые не могли быть использованы клеткой напрямую, но распознавались молекулярными машинами — протеазами. При колебаниях уровня питательных веществ в среде эти протеазы могли быть задействованы для высвобождения аминокислот из белкового резерва. Высвобожденные аминокислоты позволяли клеткам продолжать рост, даже если в среде не хватало необходимых питательных веществ. Система действовала подобно биологической батарее, к которой клетка могла подключиться при отключении «основного питания».

Доктор Гороховски добавил: «Разработка такой системы сложна, потому что нужно учитывать множество аспектов. Насколько большим должен быть белковый резерв? Как быстро его нужно расщеплять? Для каких типов колебаний среды этот подход будет работать? У нас было много вопросов, и не было простого способа оценить разные варианты».

Чтобы обойти эту проблему, команда построила математическую модель, позволившую смоделировать множество сценариев и лучше понять, где система работает хорошо, а где выходит из строя. Оказалось, что необходим тщательный баланс между размером белкового резерва, скоростью его расщепления при необходимости и продолжительностью периода нехватки питательных веществ. Важно, что модель также показала: при правильной комбинации этих факторов клетка может быть полностью защищена от изменений в окружающей среде.

Профессор Зоя Игнатова, соавтор из Гамбургского университета, заключила: «Мы смогли продемонстрировать, что тщательное управление резервами ключевых клеточных ресурсов — ценный подход к созданию бактерий, которым необходимо работать в сложных условиях. Эта способность станет все более важной по мере внедрения наших систем в сложные реальные условия. Наша работа помогает проложить путь к созданию более устойчивых модифицированных клеток, способных работать безопасно и предсказуемо».