Датские ученые разработали систему инструментов, позволяющую эффективно экспрессировать цитохромы p450 в бактериальных клетках. Эти белки участвуют в финальных стадиях биосинтеза таких веществ, как терпеноиды, которые, в свою очередь, входят в состав лекарственных препаратов для борьбы с раком, псориазом, малярией и другими заболеваниями. Работу можно увидеть в журнале Biotechnology and Bioengineering.

Цитохромы p450 — ферменты, которые имеют мембранный домен и каталитический домен с гем-группой. Из-за своих гидрофобных свойств цитохромы с трудом поддаются синтезу в искусственных условиях. При этом технология, обеспечивающая такой синтез, представляется весьма перспективной, поскольку цитохромы участвуют в синтезе большого спектра веществ, в частности, таких вторичных метаболитов, как таксол и артемизинин, которые являются важными лекарственными средствами (таксол применяют при борьбе с раковыми заболеваниями, артемизинин — с малярией). Процесс добычи их из растений или насекомых очень трудоемок и малоэффективен. Некоторые из растений (например, тис) находятся к тому же под угрозой исчезновения. Сами растения используют цитохромы для того, чтобы защищаться от поедания и инфекций, поскольку многие из синтезируемых с помощью цитохромов веществ имеют ядовитые и антибактериальные свойства.

Для ускоренного синтеза тех или иных веществ ученые часто модифицируют бактериальные клетки, встраивая в них необходимые гены, поскольку такие «бактериальные фабрики» могут работать очень эффективно и быстро. Существует ряд методов, позволяющий ускорять экспрессию генов в бактериях, в частности, можно варьировать структуру их промоторов — участков ДНК, предшествующих генам и ответственным за посадку полимераз, а также менять состав самих генов. В случае с цитохромами, например, можно избавляться от их мембранной, гидрофобной части или заменять ее «якорем» другого типа, чтобы они не образовывали нефункциональных нерастворимых телец.

Также можно менять сигнальную часть белка, так чтобы она реагировала не на мембрану растений, а на бактериальные мембраны, и в данном проекте использовалась именно эта технология. Исследователи разработали «набор инструментов» с разными N-концевыми последовательностями, которые кодировали различные бактериальные сигнальные пептиды. Набор был протестирован на 49 разных цитохромах, выделенных из растений и насекомых и встроенных в бактериальные клетки, и более половины из них после добавления таких «меток» увеличили уровень экспрессии более чем в два раза. Три таких химерных конструкта ученые дополнительно протестировали в составе мультигенной системы из двух цитохромов и одного редокс-фермента. Они успешно экспрессировались и работали в качестве участка метаболического пути, необходимого для синтеза растительного глюкозида дуррина.

Разные N-концевые химеры и их уровень экспрессии по сравнению с диким типом (внизу). Dario Vazquez-Albacete et al / Biotechnology and Bioengineering, 2017

Следующим шагом станет оптимизация набора меток для работы с разными бактериальными штаммами. По-видимому, ключевым моментом станет подбор правильных полимераз. Новая технология, считают ученые, поможет наладить промышленное производство веществ, в синтезе которых участвуют цитохромы, в том числе ряда уже известных лекарственных средств, а также большого числа новых соединений, которые также могут обладать полезными свойствами.

Кишечная палочка давно уже служит фабрикой синтеза самых разных веществ. Недавно мы рассказывали, например, как ее работу научились программировать, превратив ее в конечный автомат — систему, которая принимает одно из нескольких состояний в зависимости от внешнего воздействия.

Автор: Анна Казнадзей