Forscher bieten drei Designprinzipien an

Bei der Einführung von Genen in Hefen, die diese zur Produktion von Medikamenten und anderen nützlichen Substanzen anregen sollen, ist es auch notwendig, die Produktion zuverlässig ein- oder auszuschalten. Ein Team der Universität Kobe hat drei Designprinzipien für die Genregulation gefunden, die eine flexible Richtlinie für die wirksame Kontrolle der mikrobiologischen Produktion bieten.

Man sagt, dass die DNA der Bauplan des Lebens ist und unseren Zellen sagt, was sie produzieren sollen. Aber die DNA enthält auch Schalter, die den Zellen sagen, wann und wie viel sie etwas produzieren sollen. Wenn neue Gene in Zellen eingeführt werden, um nützliche Chemikalien wie Medikamente oder Rohstoffe für die chemische Produktion herzustellen, ist es daher auch notwendig, einen genetischen Schalter einzubauen, ein DNA-Stück, das als „Promotor“ bezeichnet wird und den Zellen sagt, dass sie mit der Produktion beginnen sollen benötigt.

Der Bioingenieur Tominaga Masahiro von der Universität Kobe sagt: „Das Problem besteht darin, dass diese Promotoren nicht im Plug-and-Play-Verfahren eingesetzt werden können, es sei denn, die Forscher verstehen genau, wie sie mit anderen genetischen Elementen interagieren. Tatsächlich gibt es nicht so viele Fälle, in denen Forscher künstliche nutzen.“ Promotoren, um die zelluläre Produktion präzise zu steuern und ihren Forschungszweck zu erreichen.“

Manchmal ist die Produktion zu gering, manchmal ist sie „undicht“, das heißt, sie lässt sich nicht nach Belieben abstellen. Dies gilt insbesondere für biotechnologisch hergestellte Hefen, deren genetische Regulierung im Vergleich zu Bakterien komplexer ist. Diese erhöhte Komplexität ermöglicht aber auch den Einsatz zur Herstellung vieler nützlicher Chemikalien.

Als Experten für die Modifizierung von Hefezellen verfolgten Tominaga und Kollegen aus dem Team um Ishii Jun einen systematischen Ansatz, um herauszufinden, wie effektive Promotoren entwickelt werden können.

„Wir kamen auf die Idee, dass wir durch sorgfältige Beschreibung unseres Prozesses zur Verbesserung eines Prototyp-Promotors ein ‚Benutzerhandbuch‘ erstellen könnten, das zeigt, wie man eine leistungsstarke und präzise Kontrolle erreicht, damit diese genetischen Systeme breiter genutzt werden können“, so Tominaga erklärt.

In einem Artikel, der jetzt in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturkommunikationbeschreiben sie drei Designprinzipien für Hefepromotoren. Erstens: Wenn Forscher nicht nur große Mengen des Produkts benötigen, sondern auch die Möglichkeit haben, die Produktion nach Belieben ein- oder auszuschalten, sollten sie mehrere Kopien der regulatorischen Elemente, die dies ermöglichen, in den Promotor einführen. Dadurch werden Undichtigkeiten reduziert und die Produktivität gesteigert. Zweitens sollte der Abstand zwischen den Promotorelementen so gering wie möglich sein, um die Produktivität noch weiter zu steigern. Und drittens sollte der Promotor durch den Einbau zusätzlicher DNA von der umgebenden DNA isoliert werden, bevor er die Leckage weiter verringert.

Tominaga sagt: „Wir haben gezeigt, dass die Leistung eines Promotors um mehr als das Hundertfache verbessert werden kann, indem man einfach die umgebende Sequenz modifiziert. Dies ist die erste Studie, die eindeutig eine Lösung für das Problem vorschlägt, warum starke Hefepromotoren in manchen Umgebungen funktionieren und in anderen nicht.“ .“

Die Bioingenieure der Universität Kobe demonstrierten die Nützlichkeit ihres Systems, indem sie die Produktion von zwei pharmazeutisch nützlichen Proteinen, sogenannten „Biologika“, demonstrierten. Sie könnten diese beiden Biologika nicht nur in getrennten Hefestämmen produzieren, sondern auch im selben Stamm und mit der Möglichkeit, jederzeit unabhängig zu steuern, welches Biologikum produziert wird.

Letzteres ist wichtig, weil es potenzielle Anwendungen in Krankenhäusern hat, wie das Team in der Studie erklärt: „Zusätzlich zur herkömmlichen Fermentation einzelner Biologika ist die schnelle und einmalige Produktion mehrerer Biologika mit einem einzigen Hefestamm an der Stelle von.“ Bei Notfällen, die Produktionsgeschwindigkeit und Flexibilität statt Reinheit und Produktivität erfordern, ist Sorgfalt von entscheidender Bedeutung.“

Ihnen gelang auch die bekanntermaßen schwierige Herstellung eines Coronavirus-Proteins, das für die Herstellung von Behandlungen verwendet werden kann, was sowohl die Nützlichkeit als auch die Flexibilität ihrer Designprinzipien weiter unter Beweis stellte.

Tominaga sagt: „Die synthetische Biologie befürwortet die Schaffung neuer biologischer Funktionen durch das Umschreiben von Genomsequenzen. Die Realität ist jedoch, dass wir oft durch unerwartete Änderungen, die sich aus unseren Änderungen ergeben, verwirrt sind. Wir hoffen, dass unsere Studie der erste Schritt in Richtung der Fähigkeit ist, jede einzelne Basis zu entwerfen.“ im Genom mit klaren Absichten.