Фабрики бактерий помогут производить уникальные белки в далеких космических экспедициях
Природа создала вещества на основе белков с такими механическими свойствами, что они конкурируют даже с лучшими синтетическими материалами. Например, непреложный факт: шелк паутины прочнее и жёстче стали.
Но, в отличие от стали, натуральное волокно пока не может производиться в промышленных масштабах. Однако учёные сообщают о новом методе, который использует искусственно созданные бактерии для производства шёлка паука и других трудно воспроизводимых белков, которые могут потребоваться в будущих космических полётах.
Подпись к изображению: Сконструированные учёными бактерии производят белки паучьего шёлка, которые могут быть спрядены в прочные волокна
Если бы стало возможным производство шёлка паука в достаточных количествах, его можно было бы использовать в самых разных областях — от создания пуленепробиваемой ткани до хирургических нитей. Но паучий шёлк нелегко получать — сами пауки производят его в мизерных количествах, а некоторые виды пауков быстро становятся каннибалами, если их содержать в группах.
Поэтому учёные попытались генномодифицировать бактерии, дрожжи, растения и даже коз для производства паучьего шёлка, но им так и не удалось полностью воспроизвести механические свойства натурального волокна.
Отчасти проблема заключается в том, что белки шёлка паука кодируются очень длинными повторяющимися последовательностями ДНК. В процессе эволюции пауки освоили способы сохранять эти последовательности в своём геноме.
Но при попытках учёных внедрить этот тип ДНК в другие организмы, гены становятся очень нестабильными, часто исключаются из последовательности ДНК и тем или иным образом изменяют клеточные механизмы хозяина. Доктор Фуджонг Чжан и его коллеги из Вашингтонского университета в Сент-Луисе задались вопросом, смогут ли они разбить длинные повторяющиеся последовательности на более короткие блоки, с которыми бактерии могут обращаться и превращать в белки. Затем исследователи сумели собрать короткие белки в более длинное шёлковое волокно паука.
Исследователи внедрили в бактерии гены, которые кодируют две части белка шёлка паука. При этом каждый из получаемых фрагментов белка получается окружённым последовательностью, называемой расщеплённым интеином.
Расщеплённые интеины представляют собой встречающиеся в природе белковые последовательности с ферментативной активностью: два расщеплённых интеина на разных белковых фрагментах могут объединяться, а затем удалять себя, чтобы получить интактный белок. После введения генов учёные заставили бактерии производить короткие части белка паучьего шёлка. Смешивание фрагментов приводило к их соединению с помощью «клея» из расщеплённой последовательности интеинов, которые затем удаляли себя, чтобы получить полноразмерный белок.
Полученное микробиологическое волокно-паутинка обладает всеми свойствами натурального шёлка паука, включая исключительную прочность, ударную вязкость и растяжимость. Исследователи получили больше шёлка с помощью этого метода, чем могли бы получить от пауков (целых два грамма шёлка на литр бактериальной культуры), и в настоящее время учёные пытаются еще больше увеличить производительность метода.
Теперь они могут создавать различные повторяющиеся белки, просто заменяя ДНК шёлка паука и помещая другие последовательности в бактерии. Например, исследователи использовали этот метод, чтобы получить белок из мидий, который сильно прилипает к поверхностям. Этот белок может когда-нибудь быть применён в качестве подводного клея.
Ныне исследователи занимаются оптимизацией процесса, чтобы реакция присоединения фрагментов белка могла происходить внутри бактериальных клеток. Это улучшит эффективность метода и потенциально позволит автоматизацию системы, поскольку не придётся получать две части искомого белка, а затем инкубировать их вместе.
Помимо прочего, система производства бактериального белка может быть полезна во время космических полетов, отмечает Чжан.
В настоящее время учёные разрабатывают технологии, с помощью которых возможно превращать углекислый газ в углеводы, а затем использовать их в качестве пищи для созданных микробов. Таким образом, астронавты могли бы производить белковые материалы прямо в космосе, без затрат большого количества исходного сырья.
04.04.2019 18:56
