Исследователи из университетов Бристоля и Гамбурга создали бактерии с внутренними запасами питательных веществ, к которым они могут получать доступ, когда это необходимо, для чтобы выжить в экстремальных условиях окружающей среды. Полученные данные открывают путь к более надежным биотехнологиям, основанным на искусственных микробах.
Синтетическая биология позволяет ученым «переделывать» организмы, используя их возможности для разработки инновационных решений — от устойчивого производства биоматериалов до расширенного обнаружения патогенов и болезней.
«Многие существующие сегодня инженерные биологические системы — хрупки и легко ломаются, когда их выводят из тщательно контролируемых условий окружающей среды (лаборатории). Это затрудняет их развертывание и масштабирование», рассказал доктор Томас Гороховски, соавтор и научный сотрудник Университета Королевского общества в Школе биологических наук в Бристоле.
Чтобы решить эту проблему, команда сосредоточилась на идее создания запасов белка в клетках, находящихся в хороших условиях, а затем изменением этих условий, когда бактериям были необходимы дополнительные питательные вещества.
«Для функционирования и выживания клеткам требуются строительные блоки, такие как аминокислоты, которых стало меньше в окружающей их среде. Это позволило клеткам продолжать функционировать в трудных условиях и сделало их более устойчивыми к любым неожиданным вызовам, с которыми они столкнулись», — объяснила Клара Шидло, первый автор и аспирант Гамбургского университета.
Чтобы создать такую систему, ученые разработали бактерии для производства белков, которые не могут быть непосредственно использованы клеткой, но которые распознаются ее молекулярными машинами, называемыми протеазами. Когда питательные вещества в окружающей среде колебались, эти протезы могли быть задействованы для высвобождения аминокислот, составляющих запас белка. Высвобожденные аминокислоты позволили клеткам продолжать расти, даже несмотря на то, что в окружающей среде не хватало необходимых питательных веществ. Система действовала подобно биологической батарее, к которой ячейка могла подключаться при отключении сетевого питания.
«Разработка такой системы сложна, потому что необходимо учитывать множество различных аспектов технологии. Насколько большим должен быть резерв белка? Как быстро его нужно расщеплять? Каким должен быть подход к работе? У нас было много вопросов и не было простого способа оценить различные варианты», — добавил доктор Гороховски.
Чтобы решить эти проблемы, команда построила математическую систему, которая позволила им смоделировать множество различных сценариев и лучше понять, где система работает хорошо, а где нет. Оказалось, что необходим тщательный баланс между размером резерва белка, скоростью его расщепления и продолжительностью дефицита питательных веществ. Важно и то, что также модель показала, что при наличии правильной комбинации этих факторов, клетка может быть полностью защищена от изменений в окружающей среде.
«Мы смогли продемонстрировать, насколько тщательное управление запасами ключевых клеточных ресурсов является ценным подходом к инженерии бактерий, которым необходимо работать. в сложных условиях. Эта возможность будет становиться все более важной по мере того, как мы развернем наши системы в сложных условиях реального мира, и наша работа помогает проложить путь к более надежным спроектированным ячейкам, которые могут работать безопасным и предсказуемым образом». — подытожила профессор Зоя Игнатова, старший соавтор Института биохимии и молекулярной биологии Гамбургского университета.
Читать далее
Астрономы нашли новый объект Солнечной системы за орбитой Нептуна
Впервые составлена полная карта человеческого кишечника
Появилась батарея размером с крупицу соли. Она может питать устройства 10 часов