Бактерии давно трудятся на благо биотехнологии: с их помощью производят белки, нуклеиновые кислоты и другие полезные соединения. Но у таких микроскопических работников есть особенность: даже в одинаковых условиях одни клетки активно выпускают нужный продукт, а другие практически бездействуют. Из-за этого падает общая производительность, а управление производством усложняется. Исследователи лаборатории молекулярной генетики МФТИ разработали генетическую систему, которая позволяет согласованно включать и выключать синтез целевого белка, а также регулировать его количество в отдельных клетках.
В лаборатории бактерии могут выглядеть как идеальные сотрудники: получив питательные вещества и подходящие условия, они растут и выполняют поставленную задачу. Однако с производством полезных белков все не так просто. Даже в одной культуре клетки способны вести себя по-разному. Одни жизнерадостно синтезируют нужное вещество, другие делают это гораздо неохотнее.
Исследователи Московского физико-технического института разработали генетическую систему, которая модифицирует работу микробной культуры. Она позволяет управлять выработкой белка в отдельных клетках, а не просто оценивать общий результат всего бактериального сообщества.
Работа опубликована в научном журнале Biotech и поддержана Российским научным фондом. В основе эксперимента лежит экспрессия генов морской бактерии Aliivibrio logei, участвующих в передаче сигналов между микроорганизмами.
Сравнение эффективности производства белка при понижении и повышении температуры. Подробнее — в первоисточнике https://www.mdpi.com/2673-6284/15/3/57Сначала охладить, потом дать команду
Бактерии умеют обмениваться химическими сигналами. По мере увеличения популяции сигнальные молекулы накапливаются, и при достижении определенного уровня клетки активируют нужные гены. Этот механизм известен как кворум-сенсинг — способ согласовывать действия сородичей.
Команда МФТИ использовала такой принцип для управления синтезом белка, добавив температурный переключатель. При 37°C производство целевого белка практически подавлено. Когда температуру снижают до 22–24°C, система активируется и клетки начинают выполнять заданную программу. Возвращение к более высокой температуре позволяет почти полностью остановить синтез.
Таким образом, температура становится инструментом управления бактериальной фабрикой. Исследователи могут не только запускать и останавливать процесс, но и подбирать нужную интенсивность производства.
Проверка светящимся белком
Работу системы проверили с помощью sfGFP — флуоресцентного белка, который позволяет судить о происходящем по свечению клеток. Чем больше такого белка, тем заметнее сигнал.
Первые результаты появились уже через полчаса после запуска, но клетки еще отличались друг от друга по интенсивности свечения. Спустя три часа картина стала более однородной. Это указывало на то, что популяция постепенно переходила к согласованному режиму работы.
При температуре 37 °C синтез целевого белка практически не запускается. Если охладить культуру до 22–24 °C, бактерии начинают реагировать на химические сигналы и производить нужное вещество. Повторный нагрев позволяет почти полностью остановить процесс.Принципиальный момент заключается в том, что промежуточный результат не сводился к простой смеси двух групп: одни бактерии производят много белка, а другие почти ничего. Система позволяла регулировать активность клеток более согласованно и в то же время избирательно.
Для биотехнологии это открывает несколько перспектив. Точный контроль синтеза нужен при производстве белков, изучении работы генов и исследовании процессов внутри клетки. Возможность своевременно включать и выключать синтез также важна в экспериментах с веществами, способными вредить самим микроорганизмам.
Пока речь идет о лабораторной системе, а не о готовом решении для промышленного производства. Однако исследование показывает, как химическая связь между бактериями и управление температурой могут работать вместе, помогая точнее настраивать клеточные процессы.
Новая генетическая конструкция позволила нам наблюдать, как происходит активация синтеза и его остановка на уровне каждой отдельной клетки. Наблюдения этих процессов на всей популяции давали нам картину «средней температуры по больнице», и мы не знали, достигается ли промежуточное содержание целевого белка за счет частичной вовлеченности бактерий в процесс синтеза или же за счет регуляции активности каждой клетки в популяции. Наша векторная система позволила не только запустить и остановить синтез, но еще и отрегулировать интенсивность процесса. При этом в новой работе мы показали, что запуск синтеза и регуляция его интенсивности происходят во всех клетках одинаково, то есть не происходит разделения культуры на «трудяг» и «лентяев».Сергей Баженов
Материалы по теме на Hi-Tech Mail
О том, как эксперимент «из любопытства» раскрыл тайну устойчивости бактерий к антибиотикам, читайте здесь.
Свежая публикация рассказывает, как бактерии стали оружием против пластика.
Еще один любопытный материал посвящен способности бактерий «одомашнивать» вирусы и использовать их как курьеров для распространения своей ДНК.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
