КОЛЬЦОВСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
Ученые ГНЦ ВБ «Вектор» предлагают технологию получения искусственных белков с заданными свойствами, позволяющую создавать перспективные лекарственные препараты. Об этом рассказывает Сергей Татьков — заведующий лабораторией «Вектора», лауреат премии наукограда им. Л. С. Сандахчиева.
Алексей Андреев,
при содействии Отдела пресс-службы
ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора
«Улучшаем» белки
Технология, которую мы используем, основана на применении направленного мутагенеза. Что это такое? Если взять ген, кодирующий белковую молекулу, и воздействовать на разные его участки, то можно вызвать в них мутации. Заранее не известно, какими будут эти мутации, но можно точно указать, в каком районе они произойдут. Таким образом можно получить набор различных мутантных вариантов одного гена, так называемую библиотеку мутантогенов.
Затем с помощью статистического анализа этих мутантогенов и кодируемых ими белков можно определить в белковой молекуле функционально важные районы, то есть те кластеры аминокислотных остатков, которые и обеспечивают ее активность, например, каталитическую активность у ферментов. Нам удалось это провести на некоторых важных биологически активных молекулах, таких как интерферон. Напомню, что это активный противовирусный агент, который образуется в организме в ответ на вирусную инфекцию.
Итак, мы определили функционально важные фрагменты в белке. Что будет, если провести мутации в оставшихся, нефункциональных районах? К чему это может привести? Для справки — накопленные данные показывают, что можно заменить до трех четвертей белковой молекулы, и при этом сохранится ее функциональная активность. Другими словами, у белковой молекулы есть значительный ресурс по изменчивости и, меняя состав аминокислот или их расположение, можно получить молекулу белка, которая сохранит все функции исходной молекулы, но приобретет какие-то новые свойства. В этом и есть суть направленного мутагенеза.
Эту технологию можно использовать для решения различных прикладных задач. Например, для повышения устойчивости ферментов, чтобы они дольше сохранялись в растворах и противодействовали агентам, которые их пытаются расщепить или нейтрализовать — задача актуальная для производства многих лекарственных препаратов. Мы предложили следующий нехитрый прием: в нефункциональные районы вводим мутации, чтобы заменить те аминокислотные кластеры, по которым разрушается молекула. Заменяя эти участки, мы уменьшаем вероятность разрушения молекулы по этим сайтам. При этом свойства молекулы сохраняются, а ее стабильность резко возрастает. Этот эффект был проверен на самых разных белках: гамма-интерфероне, факторе некроза опухоли и других. Самое главное — это очень простая, доступная технология, которую могут освоить обычные лаборатории.
Технология оказывается полезной и в промышленном производстве белков. Решая эту задачу, исследователи пытаются найти штамм, который обеспечивал бы максимальный уровень продукции белка. К сожалению, если клетку заставить синтезировать много рекомбинантного белка, например, около 20 % от всего суммарного белка клетки, то она будет пытаться защититься от него, и с этой целью будет упаковывать его в так называемые тельца-включения в виде кристаллов. Оказалось, что, заменяя нефункциональные участки молекулы, можно предупредить с очень высокой вероятностью образование таких телец-включений. На примере гамма-интерферона были получены такие варианты, которые синтезируются в растворимой форме в клетке в количестве 20-40 % от суммарного клеточного белка. Это серьезное достижение, поскольку позволяет снизить стоимость производства белка.
Таким образом, весь комплекс, включающий метод статистического мутагенеза, расшифровку структурно-функциональной организации белковой молекулы и идеологию проведения направленного мутагенеза по нефункциональным районам, позволяет нам получать перспективные в прикладном смысле белковые молекулы. На основе этой технологии ведется создание новых лекарственных препаратов. Эту часть работы выполняет Институт медицинской биотехнологии под руководством профессора В. И. Масычевой в Бердске.
От искусственных белков
к искусственным микроорганизмам
Описанный подход хорошо встраивается в общую методологию получения искусственных белков. Развиваются и более сложные методики, позволяющие работать с очень большими библиотеками мутантогенов — от миллиардов до триллионов молекул. За относительно короткое время, порядка нескольких месяцев, их можно просканировать и отобрать молекулы, интересующие исследователя по каким-то признакам. Выделить, обогатить, провести новый раунд мутагенеза. Этот подход получил название «искусственная эволюция» и продемонстрировал ошеломляющие возможности. Например, удалось улучшить свойства некоторых ферментов в тысячи раз. При этом последующий анализ показал, что теоретически эти замены невозможно было предположить, поскольку они происходили совсем в других фрагментах.
Теперь у многих исследователей возникает мысль, что если возможно получать такие библиотеки для отдельных генов, то можно составить наборы и для генома микроорганизма в целом. Методы генной инженерии уже позволяют создавать жизнеспособные вирусы на основании нуклеинового материала. Просматривается такая схема: выделяем геном вируса, подвергаем его мутациям в пробирке, а затем возвращаем в жизнеспособную вирусную оболочку. Получаем библиотеку мутантных вирусных частиц, из которой можно отобрать частицы, обладающие нужными и интересующими нас свойствами.
Пока такой подход в полном объеме не реализован, но об этом начинают всерьез говорить, в частности, американские ученые. Возможно, оптимизм исследователей преувеличен, но хотелось бы подчеркнуть, что сам подход может привести к созданию очень интересных конструкций. Не сложно предположить, что эту технологию можно перенести на создание искусственных микроорганизмов, понимая слово «искусственный» как полученный с помощью направленного мутагенеза и отбора вариантов с заданными свойствами. Это могут быть, например, микроорганизмы — продуценты антибиотиков или антагонисты для каких-то вирусов. Сейчас открываются широкие перспективы для того, чтобы этот подход начал активно разрабатываться.
стр. 9
|
