Біохіміки розвивають безклітинні системи для швидкого синтезу білків
Біохіміки розвивають безклітинні системи, що прискорюють синтез і тестування білків та створення біосенсорів.
Дослідники дедалі активніше використовують безклітинні системи експресії білків — набори молекулярних компонентів, вилучених із клітин або зібраних з очищених речовин. Такий підхід дає змогу швидше тестувати генетичні конструкції та створювати білки без потреби вирощувати й модифікувати живі клітини, повідомляє Nature.
Такі системи містять механізми для транскрипції ДНК у матричну РНК та подальшого синтезу білка. На відміну від бактерій чи дріжджів, вони не спрямовують ресурси на власне виживання, розмноження або придушення чужорідної ДНК. Біоінженер Майкл Джуетт зі Стенфордського університету пояснив, що замість протидії цим процесам його команда використовує внутрішній вміст клітин як «молекулярну фабрику».
Швидший відбір білкових конструкцій
Безклітинні платформи дозволяють перевіряти сотні або тисячі варіантів білків без внесення змін до геному та культивування клітин. За словами синтетичного біолога Вілсона Вонга з Бостонського університету, це може скоротити цикл проєктування, створення, тестування й аналізу з кількох днів або тижнів до годин.
Метод також придатний для отримання речовин, які можуть бути токсичними для живих клітин або змінюватися під дією їхніх ферментів. Частину систем створюють у ліофілізованій формі для синтезу біомедичних продуктів на вимогу, зокрема вакцин, а також для портативних тестів якості води та діагностики.
Команди Джуетта і Джуліуса Лакса з Північно-Західного університету застосували безклітинну систему та машинне навчання для оптимізації білкового сенсора свинцю. Вони протестували кілька раундів мутантних білків і отримали сенсор, здатний виявляти свинець у концентрації від 5,7 частини на мільярд. Завданням було підвищити вибірковість до свинцю, адже багато сенсорів реагують також на цинк.
Ціна та різні джерела лізатів
Водночас безклітинні технології залишаються дорогими: реагенти для системи літрового масштабу можуть коштувати понад 4 тисячі доларів США, а більшість досліджень повідомляє про виробництво менш ніж двох грамів білка. Крім того, такі реакції швидко витрачають енергетичні запаси, тому зазвичай мають завершитися протягом кількох годин.
Доступнішою альтернативою є лізати — вміст зруйнованих клітин, зокрема кишкової палички Escherichia coli. Лабораторія Джуетта протестувала 1231 склад реакційної суміші та звела рецепт до 12 реагентів, що, за даними команди, зменшило витрати на 95% — до менш ніж 100 доларів за грам виробленого білка.
Науковці також працюють із лізатами людських клітин і хлоропластів рослин. Група Генріке Нідергольтмаєр з Технічного університету Мюнхена порівняла екстракти хлоропластів пшениці, шпинату та тополі й встановила, що система зі шпинату може передбачати експресію генів у генетично віддаленій пшениці.
