Бактерии широко используются для производства различных белков, применяемых в медицине и промышленности. Однако эта технология не всегда оказывается эффективной. Многие синтезированные белки быстро деградируют внутри бактерий. Другая проблема – неправильная укладка белков. Если аминокислотная цепочка сворачивается не так, как нужно, белок не может работать.

Команда исследователей во главе с профессором Джеймсом Бардуэллом (James Bardwell) из Медицинского института Ховарда Хьюза Мичиганского университета разработала способ, с помощью которого можно заставить бактерий синтезировать большие количества стабильных, полностью функциональных белков. Затем, пытаясь понять, что позволяет этим бактериям осуществлять интенсивный и точный синтез, учёные обнаружили у них особый белок, Spy, выполняющий функцию своеобразного молекулярного помощника процесса синтеза и последующей укладки белков. Результаты работы недавно опубликованы в журнале Nature Structural & Molecular Biology.

В первой фазе исследования авторы разработали молекулярный биосенсор, позволяющий дифференцировать бактерий по тому, правильно или неправильно они укладывают синтезированный белок. Молекула биосенсора устроена таким образом, что при её взаимодействии с «правильным» белком образуется комплекс, придающий бактерии устойчивость к определённому антибиотику. Если укладка белка идёт внутри бактерии неправильно, то комплекс такого нефункционального белка с биосенсором никак не помогает бактерии защищаться от антибиотика. В результате для бактерий можно провести «эволюцию в пробирке», выращивая их на среде, содержащей данный антибиотик. Бактерии, неправильно укладывающие белок, будут погибать от действия антибиотика, а нужные бактерии выживут и размножатся. Увеличивая дозу антибиотика в таком эксперименте, можно усиливать давление отбора и ускорять направленную эволюцию.

В результате учёные получили штамм кишечной палочки, продуцирующий стабильные функциональные молекулы белка (изначально очень неустойчивого) в 700 раз эффективнее, чем родительский штамм. «Крайне занимательно, что даже бактерии, если их направить по правильному пути, могут найти хорошее решение трудных задач», – цитирует первого автора работы Шу Кван (Shu Quan) сайт Мичиганского университета.

Конечно, авторы захотели выяснить, чем же данный штамм отличается от родительского. Оказалось, что «эффективные» бактерии гораздо интенсивнее синтезируют особый белок Spy. Эта молекула принадлежит к классу шаперонов – белков, присутствующих у всех организмов и участвующих в формировании и поддержании пространственной структуры других белковых молекул. Именно шаперон Spy поддерживал правильную укладку и устойчивое состояние белка, который производили бактерии.

Теперь, как считают авторы, мы сможем использовать бактерий для стабильного синтеза даже самых нестабильных белков.

Источник информации:

Shu Quan, Philipp Koldewey, Tim Tapley, Nadine Kirsch, Karen M Ruane, Jennifer Pfizenmaier, Rong Shi, Stephan Hofmann, Linda Foit, Guoping Ren, Ursula Jakob, Zhaohui Xu, Miroslaw Cygler & James C A Bardwell. «Genetic selection designed to stabilize proteins uncovers a chaperone called Spy». Nature Structural & Molecular Biology, 13 February 2011, doi:10.1038/nsmb.2016.