Биохакерская атака: «взломанная» бактерия упростит производство средств борьбы с новыми инфекциями

Российские ученые разработали способ отключения защитной системы одной из самых востребованных бактерий в биотехнологии. Это позволяет беспрепятственно внедрять в нее чужеродную ДНК и заставлять микроорганизм вырабатывать нужные вещества — например, компоненты медицинских препаратов. Если раньше создание нового штамма-продуцента занимало у исследователей несколько лет, то теперь этот процесс можно сократить до шести месяцев. По оценке экспертов, технология существенно ускорит разработку новых лекарств и вакцин, что особенно важно в условиях риска возникновения новых пандемий.

«Взлом бактерии»

Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) впервые нашли способ точечного отключения защитной системы бактерии Bacillus licheniformis — одного из основных микроорганизмов мировой биотехнологии, применяемого при производстве ферментов, антибиотиков и других веществ. Это открытие позволит значительно упростить и ускорить генетическую модификацию микробов для создания промышленных штаммов с заданными свойствами.

— На основе Bacillus licheniformis создают множество штаммов-продуцентов, однако сам процесс остается крайне трудоемким. Для этого в микроорганизм необходимо внедрить чужеродную ДНК, но из-за срабатывания защитных механизмов бактерии часто погибают. В результате приходится последовательно отбраковывать множество неудачных вариантов, и поиск рабочей модификации может растягиваться на годы. Мы обнаружили последовательность в этих генах, на которую реагирует иммунная система бактерии. И если ее отключить, то это множество уменьшается до полугода, — сказала старший научный сотрудник Лаборатории молекулярной генетики МФТИ Анна Кудрявцева.

Бактерии защищаются от вирусов с помощью систем рестрикции-модификации, атакующих чужеродную ДНК. Ученые исследовали ее у Bacillus licheniformis, используя секвенирование нового поколения, и определили точную последовательность ДНК, которую распознает и атакует система.

— Мы не только описали защитную систему, но и впервые показали, что ее работу можно эффективно подавить in vitro с помощью белка ArdB. Ранее считалось, что белки этого семейства работают только в живых клетках, что накладывало ограничения на их изучение и применение. Наша работа меняет эту парадигму, — рассказал один из авторов проекта, инженер лаборатории молекулярной генетики МФТИ Родион Березов.

Теперь, зная точную мишень защитной системы, ученые смогут конструировать плазмиды для генетической трансформации Bacillus licheniformis без этих последовательностей, что позволит фактически обходить иммунную защиту бактерии. Кроме того, исследователи могут использовать белок-подавитель ArdB как инструмент для временного отключения защитного механизма, что значительно повысит эффективность получения штаммов-продуцентов.

— Эксперимент был наглядным: очищенный комплекс BlihIA разрезал только специфичную последовательность ДНК. Но при добавлении ArdB процесс разрезания полностью останавливался. Это прямое доказательство влияния ArdB на взаимодействие BlichIA (система рестрикции-модификации. — Ред.) с ДНК, — добавила Анна Кудрявцева.

Открытие снимает ограничение для работы не только с этой бациллой, но и с другими промышленно значимыми микроорганизмам, добавили разработчики.

Ускоренное создание лекарств и вакцин

Системы рестрикции-модификации у бактерий служат «иммунитетом» против чужеродной ДНК и часто серьезно тормозят генетическую трансформацию. Если этот барьер можно контролируемо и адресно отключать, это действительно сокращает цикл создания штаммов-продуцентов ферментов, белков или метаболитов, пояснил «Известия» руководитель центра превосходства «Персонализированная медицина» Альберт Ризванов.

— В прикладном смысле это означает более быстрый переход от генетической конструкции к стабильному промышленному штамму, пригодному для масштабирования, — сказал он.

В случае возникновения новых пандемий открытие частично может ускорить создания средств борьбы с ними. Хотя разработка вакцин сегодня чаще опирается на клеточные линии, вирусные векторы или мРНК-платформы, а не на Bacillus как продуцент. Но для производства рекомбинантных белков — например, антигенов субъединичных вакцин, ферментов для диагностики, вспомогательных биореагентов — ускоренное создание штаммов может существенно сократить подготовительный этап, добавил эксперт.

Рыночная биоэкономика: в России запускают новый нацпроект

Путин поручил разработать стратегию развития отрасли до середины XXI века

Как отметил доцент института экономики и управления УрФУ Максим Колясников, эффективность «в пробирке» далеко не всегда воспроизводится в условиях живой клетки, в том числе из-за дублирования бактериальных защитных систем. А промышленные штаммы B. licheniformis, накопленные ведущими ферментными компаниями, уже оптимизированы десятилетиями классической и молекулярной селекции, поэтому пробиться на рынок новой технологии будет сложно.

— Применение результатов работы для создания новых штаммов-продуцентов в фармацевтике и агробиотехнологиях вполне возможно, и дальнейшие in vivo эксперименты покажут, насколько открытие переходит из разряда «научной новости» в категорию промышленно применимого решения, — сказал специалист.

Работа МФТИ важна не только для производства лекарств, она может найти применении и в генно-инженерных подходах, и для молекулярной биологии. С ее помощью можно будет упростить и ускорить процесс перехода от научной стадии создания новых препаратов к их массовому промышленному производству. Однако перед поступлением в аптеки их всё равно придется испытывать на безопасность достаточно длительное время, рассказала руководитель отдела медицинской микробиологии НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи Наиля Зигангирова.

Работа выполнена в рамках гранта Российского научного фонда.