Bakteriefabrikker kunne fremstille højtydende proteiner til rummissioner

Naturen har udviklet proteinbaserede stoffer med mekaniske egenskaber, der kan konkurrere med selv de bedste syntetiske materialer. For eksempel, pund for pund, edderkoppesilke er stærkere og sejere end stål. Men i modsætning til stål, den naturlige fiber kan ikke masseproduceres. I dag, forskere rapporterer om en ny metode, der udnytter konstruerede bakterier til at producere edderkoppesilke og andre svære at lave proteiner, som kan være nyttige under fremtidige rummissioner.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på American Chemical Society (ACS) National Meeting &Exposition foråret 2019.

"I naturen, der er en masse proteinbaserede materialer, der har fantastiske mekaniske egenskaber, men udbuddet af disse materialer er meget ofte begrænset, " siger Fuzhong Zhang, Ph.D., projektets hovedefterforsker. "Mit laboratorium er interesseret i at udvikle mikrober, så vi ikke kun kan producere disse materialer, men gør dem endnu bedre."

Hvis produceret i tilstrækkelige mængder, edderkoppesilke kan bruges til en række forskellige applikationer, lige fra skudsikkert stof til kirurgiske suturer. Men edderkoppesilke er ikke let at dyrke - edderkopper producerer små mængder, og nogle arter bliver kannibalistiske, når de holdes i grupper. Derfor, videnskabsmænd har prøvet ingeniørbakterier, gær, planter og endda geder til at producere edderkoppesilke, men de har endnu ikke været i stand til fuldt ud at kopiere den naturlige fibers mekaniske egenskaber.

En del af problemet er, at edderkoppesilkeproteiner er kodet af meget lange, meget gentagne sekvenser af DNA. Edderkopper har udviklet måder at holde disse sekvenser i deres genom. Men når videnskabsmænd putter denne type DNA ind i andre organismer, generne er meget ustabile, bliver ofte klippet eller på anden måde ændret af værtens cellulære maskineri. Zhang og kolleger ved Washington University i St. Louis spekulerede på, om de kunne bryde den lange, gentagne sekvenser til kortere blokke, som bakterier kunne håndtere og lave til proteiner. Derefter, forskerne kunne samle de kortere proteiner i den længere edderkoppesilkefiber.

Holdet introducerede gener til bakterier, der kodede for to stykker af edderkoppesilkeproteinet, hver flankeret af en sekvens kaldet et split intein. Splittede inteiner er naturligt forekommende proteinsekvenser med enzymatisk aktivitet:To spaltede inteiner på forskellige proteinfragmenter kan samles og derefter skære sig ud for at give et intakt protein. Efter at have introduceret generne, forskerne brød bakterierne op og rensede de korte stykker af edderkoppesilkeprotein. Blanding af fragmenterne fik dem til at slutte sig sammen gennem "limen" af den delte inteinsekvens, som derefter skærer sig ud for at give fuldlængde-proteinet. Når de er spundet til fibre, den mikrobielt fremstillede edderkoppesilke havde alle egenskaberne af naturlig edderkoppesilke, inklusive enestående styrke, sejhed og strækbarhed. Forskerne opnåede mere silke med denne metode, end de kunne fra edderkopper (så meget som to gram silke pr. liter bakteriekultur), og de forsøger i øjeblikket at øge udbyttet endnu mere.

Forskerne kan lave forskellige gentagne proteiner blot ved at udskifte edderkoppesilke-DNA'et og sætte andre sekvenser ind i bakterier. For eksempel, forskerne brugte teknikken til at lave et protein af muslinger, der klæber kraftigt til overflader. Proteinet kunne en dag påføres som et undervandsklæbemiddel. Nu, forskerne arbejder på at strømline processen, så proteinsammenføjningsreaktionen kan opstå inde i bakterieceller. Dette ville forbedre effektiviteten og den potentielle automatisering af systemet, fordi forskerne ikke behøvede at rense de to stykker af proteinet og derefter inkubere dem sammen.

Ud over applikationer her på jorden, det bakterielle proteinproduktionssystem kunne være nyttigt under rummissioner, Zhang bemærker. "NASA er en af ​​vores finansieringskilder, og de er interesserede i bioproduktion, " siger han. "De er i øjeblikket ved at udvikle teknologier, hvor de kan omdanne kuldioxid til kulhydrater, der kan bruges som mad til de mikrober, som vi udvikler. Den vej, astronauter kunne producere disse proteinbaserede materialer i rummet uden at medbringe en stor mængde råmaterialer."