Руководство по генетическим переключателям дрожжей: три принципа дизайна

При внедрении генов в дрожжи для производства лекарств и других полезных веществ необходимо также надёжно включать и выключать этот процесс. Команда Университета Кобе обнаружила три принципа дизайна регуляции генов, которые служат гибким руководством для эффективного контроля микробиологического производства.

Промоторы — участки ДНК, действующие как генетические переключатели, — часто работают нестабильно в искусственных системах, что приводит к низкой продуктивности или «утечке» (невозможности полностью выключить производство). Это особенно актуально для дрожжей, чья генетическая регуляция сложнее, чем у бактерий.

Биоинженеры под руководством Исии Дзюн и Томинага Масахиро систематически исследовали, как создавать эффективные промоторы, чтобы подготовить «руководство пользователя» для их широкого применения.

В статье, опубликованной в Nature Communications, они описывают три принципа дизайна промоторов для дрожжей:

1. Множественные копии регуляторных элементов. Для одновременного достижения высокой продуктивности и возможности включения/выключения по желанию следует вводить в промотор несколько копий регуляторных элементов. Это снижает «утечку» и повышает продуктивность.
2. Минимизация расстояний. Расстояние между элементами промотора должно быть как можно меньше для дальнейшего увеличения продуктивности.
3. Изоляция промотора. Добавление дополнительной последовательности ДНК перед промотором изолирует его от окружающей ДНК и дополнительно снижает «утечку».

«Мы показали, что производительность промотора можно улучшить более чем в 100 раз, просто модифицируя окружающую его последовательность. Это первое исследование, которое чётко предлагает решение проблемы, почему мощные дрожжевые промоторы работают в одних условиях и не работают в других», — говорит Томинага Масахиро.

Полезность системы была продемонстрирована на примере производства двух фармацевтически полезных белков — «биологических препаратов» (biologics). Исследователи смогли производить их не только в отдельных штаммах дрожжей, но и в одном штамме, с возможностью независимого контроля над тем, какой именно белок производится в любой момент времени.

Последнее важно для потенциального применения в больницах, так как позволяет быстро производить несколько биопрепаратов одной дрожжевой культурой непосредственно на месте оказания медицинской помощи в чрезвычайных ситуациях, где важны скорость и гибкость, а не чистота и продуктивность.

Кроме того, команда успешно осуществила сложное производство белка коронавируса, который можно использовать для создания методов лечения, что дополнительно демонстрирует полезность и гибкость предложенных принципов дизайна.

«Синтетическая биология выступает за создание новых биологических функций путём переписывания геномных последовательностей. Однако на деле мы часто сталкиваемся с неожиданными изменениями в результате наших правок. Мы надеемся, что наше исследование — это первый шаг к возможности проектировать каждый отдельный нуклеотид в геноме с чётким пониманием цели», — заключает Томинага.