Белковая инженерия — решающий импульс быстро развивающейся, относительно новой научной дисциплины. Ученые выращивают, собирают и перепрограммируют белки, чтобы они стали новыми лекарственными средствами, экологически чистым топливом и вакцинами. Быстрое производство белков в больших количествах было и остается серьезной проблемой в этой области.
«Растет спрос на экономичные, масштабируемые и высокопроизводительные системы для производства белков», — сказал синтетический биолог из Северо-Западного университета Майкл Джуэтт. "Мы хотим удовлетворить эту потребность, что могло бы помочь привести к новым целевым методам лечения, направленным на борьбу с болезнями или ферментами, которые производят устойчивые химические вещества."
Доцент кафедры химической и биологической инженерии в инженерной школе Маккормика, Джеветт и его команда первыми разработали новый метод производства белка, который стал быстрее и дешевле, чем когда-либо прежде, что делает исследования синтетической биологии более доступными для лабораторий во всем мире — даже в средних школах.
Исследование, проведенное при поддержке DARPA и Управления армейских исследований, опубликовано в мартовском выпуске журнала Scientific Reports за 2015 год. Йонг Чан Квон, научный сотрудник лаборатории Джеветта, был соавтором статьи.
Исследование Джеветта направлено на устранение технологического пробела в бесклеточном синтезе белка (CFPS), методе производства белков без использования живых, интактных организмов. В последние годы CFPS появился, чтобы помочь удовлетворить растущий спрос на простые и эффективные технологии экспрессии белков.
Хотя CFPS обходит растущие белки у требовательных микроорганизмов, таких как дрожжи и бактерии, он требует высокоспециализированного дорогостоящего оборудования. Исследователи должны использовать большой стальной ферментер для выращивания клеток, а затем французский пресс для лизирования клеток или удаление их клеточных стенок под высоким давлением, что оставляет желанные ферменты для использования в качестве катализаторов для производства белков.
«Несмотря на то, что системы бесклеточного перевода улучшились за последние несколько десятилетий, все еще сложно стандартизировать протоколы внутри и между лабораториями, а дорогостоящее оборудование может быть слишком дорогим для некоторых», — сказал Джуэтт. "Большинство лабораторий, особенно школьных, не могут позволить себе оборудование для гомогенизации под высоким давлением."
Новый метод Джуэтта заменяет ферментер и френч-пресс двумя недорогими частями оборудования, которые являются общими для типичной лаборатории: стандартные пробирки для культивирования и встряхиваемые колбы. Его группа вырастила два коммерчески доступных штамма E.coli в небольших пробирках, а затем подвергали их вибрации в ультразвуковом аппарате, пока их клеточные стенки не были лизированы.
«Раньше сообщество считало, что использование этой недорогой модели вибрации невозможно», — сказал Джеветт. "Когда вы вибрируете клетки, они сильно нагреваются, что может деактивировать катализаторы, необходимые для производства белка. Основываясь на недавней работе лаборатории Брэдли Банди в Университете Бригама Янга, мы нашли способ отобразить правильное количество энергии, потребляемой ультразвуковой обработкой, чтобы клетки лизировались без чрезмерного нагрева."
В этом методе не только используется недорогое оборудование, но и производится больше катализаторов сырого экстракта для производства белков за меньшее время. По словам Джеветта, его подход может производить 100 лизатов за один день по сравнению со стандартным подходом к ферментации, который может производить 100 лизатов за восемь месяцев.
«Это дает нам огромное количество новых возможностей и преимуществ для производства продуктов», — сказал Джуэтт. "И мы надеемся, что это позволит большему количеству исследователей войти в эту область."
Другие лаборатории, использующие бактерии, отличные от E. coli, уже успешно применили методику Джуэтта.
Фактически, Рейвин Рейес, ученик средней школы Niles West, который работал с Беном Дес Сой в лаборатории Джуэтта, использовал новый метод для своего проекта и был назван полуфиналистом конкурса INTEL Science Talent Search 2015 года.
«Даже будучи старшеклассником, Рейвин смог очень быстро освоить эту новую технику», — сказал Джуэтт. "Я в конечном итоге надеюсь, что это будет новая технологическая инновация, которую другие лаборатории смогут использовать и смогут воспользоваться и использовать платформы для бесклеточного синтеза белка. Это могло бы демократизировать сферу."