Растительные клетки превосходят дрожжи или бактерии в производстве белков паучьего шелка, что повышает эффективность производства.
Паучий шелк, известный своей прочностью, гибкостью и совместимостью с тканями человека, является привлекательным материалом для биомедицинских исследователей. Однако, несмотря на его удивительные свойства, получение надежного и экономически эффективного источника драгоценного шелка остается препятствием для его широкого использования.
Яростный территориальный и каннибалистический характер паукообразных делает земледелие невозможным. В то время как синтетическая биология позволила получить качественный шелк с использованием таких бактерий, как Escherichia coli , или дрожжевых клеток , производство паучьего шелка по-прежнему связано с проблемами масштабируемости.
Чтобы преодолеть паутину проблем, группа ученых из Японии разработала клетки растения табака, способные производить паутину, но только после того, как они исследовали часть белков шелка, функция которых была неизвестна в то время, когда группа обнаружила способ повышения качества и выхода продукции протеина шелка.
Легко для пауков, сложно для учёных
В природе пауки без особых усилий производят и перерабатывают протеины шелка, называемые спидроинами, в специализированных железах. Эти органы обеспечивают точную химическую среду, необходимую животному для сплетения спидроинов в универсальный шелк.
Искусственное плетение нитей из белков, вырабатываемых бактериями или дрожжами, в лаборатории оказалось невероятно трудным. Использование растительных клеток для производства спидроинов рассматривается как потенциальное решение, поскольку растительные клетки могут более надежно производить более крупные белки шелка, а бактерии и дрожжи изо всех сил пытаются сделать это, не внося ошибок в белковые последовательности.
Один из этих белков, MaSp2, важен для уникальных свойств паучьего шелка и более склонен к самосборке, то есть естественным образом формируется в нановолокна, которые затем можно искусственно сплести вместе. Однако задача растений заключается в том, чтобы производить достаточно белка, чтобы быть коммерчески жизнеспособными.
Выведение спидроинов из клетки
Кейджи Нумата, исследователь из Киотского университета в Японии, вместе со своими коллегами разработал модифицированные клетки растения табака, которые производят MaSp2. В своей статье , опубликованной в Advanced Biology , описывающей их новую систему, авторы аргументируют преимущества использования растений, одним из которых является возможность адаптироваться к тому, где в клетках будет происходить производство. Это также позволяет команде создавать протеины шелка, которые растительные клетки будут секретировать в клеточную культуру.
Доступ к белкам вне клетки делает дальнейшую обработку проще и эффективнее. Однако первоначальные эксперименты показали неоднозначные результаты, поскольку выход спидроинов, продуцируемых клетками, был впечатляющим, но в культуру попадало только от 10 до 15%.
Исследуя эту проблему, они обнаружили, что часть белка, называемая С-концевым доменом, часть, функция которой ранее была неизвестна, участвует в сборке белка, а также его секреции.
«Наше дальнейшее исследование выявило интересный факт: С-концевой домен MaSp2 не только регулирует межмолекулярные взаимодействия с образованием гомодимеров, но также строго контролирует качество его белка в цитозоле и секрецию рекомбинантного белка MaSp2 через секреторные пути растений», — пишут авторы. . Они решают попробовать удалить этот участок белка и повторить эксперименты.
Улучшение за счет вычитания
Растительные клетки, теперь экспрессирующие укороченный белок MaSp2, секретировали в культуру гораздо больше белка: от 0,9 миллиграммов на литр до 2,8 мг/л каждые семь дней.
Согласно статье, «эти результаты демонстрируют значительное улучшение внеклеточного производства рекомбинантных биополимеров, таких как спидроины паучьего шелка, с использованием растительных клеток».
Команда считает, что это ценное подтверждение концепции полезности систем культивирования растительных клеток и того, что можно реализовать больше преимуществ.
«Если мы сможем использовать CO 2 для культивирования растительных клеток, то производство растительных клеток может быть очень интересным», — сказал Нумата. На данный момент клеткам все еще нужны питательные вещества, предоставленные исследователями, но группа надеется однажды производить шелк, используя углекислый газ в качестве единственного источника энергии.