Verbesserung der Lactoferrinproduktion im industriellen Maßstab mit synthetischen biologischen Systemen

Lactoferrin (LF), ein multifunktionelles Glykoprotein aus der Transferrin-Familie, kommt auf natürliche Weise in der Muttermilch und in Kuhmilch vor. Der Name „LF“ leitet sich von seiner Fähigkeit ab, an Eisen zu binden (Ferrin, ein Suffix, das für eisenbindendes Protein steht).

LF ist ein wichtiger bioaktiver Bestandteil der Muttermilch und fördert die Gesundheit und Entwicklung des Säuglings. Wissenschaftler sind seit seiner Entdeckung in den 1930er Jahren aufgrund seiner einzigartigen biologischen Eigenschaften von LF fasziniert. LF spielt unter anderem eine Rolle bei der Immunreaktion, der antibakteriellen Aktivität und der entzündungshemmenden Wirkung.

LF trägt zur angeborenen Immunantwort bei und fungiert als erste Verteidigungslinie. Es zerstört wirksam die Integrität der Zellmembranen und hemmt die Bakterienvermehrung, indem es die Eisenverfügbarkeit verringert. LF wirkt außerdem antiviral gegen eine Vielzahl von Viren.

Darüber hinaus interagiert LF mit Immunzellen wie Makrophagen und Lymphozyten und verstärkt die Immunantwort. Daher bietet LF ein vielfältiges Anwendungsspektrum in den Bereichen Lebensmittel, Kosmetik und Pharmazie.

Allerdings gibt es gewisse Einschränkungen bei der Trennung und Reinigung von LF aus Milch, sodass die aktuelle Marktnachfrage mit diesem Produkt nicht gedeckt werden kann. Um diese Herausforderungen zu überwinden, haben Forscher neue Technologien entwickelt, bei denen Mikroorganismen LF mithilfe gentechnischer Verfahren synthetisieren können. Dank der Entwicklung solcher synthetischer biologischer Systeme ist es nun praktikabler, Mikroorganismen zur Herstellung großer Mengen von LF einzusetzen.

In einer kürzlichen Studie veröffentlicht am 20. August 2024, in BioDesign Forschungein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Kun Liu von der Anhui Polytechnic University, China, diskutierte den Entwurf und die Konstruktion von LF-Expressionssystemen, einschließlich der damit verbundenen Herausforderungen, Lösungen und Möglichkeiten.

„Die Herausforderung, LF für den Marktbedarf zu beschaffen, kann durch die Produktion von LF im industriellen Maßstab mithilfe synthetischer biologischer Expressionssysteme überwunden werden, da die Struktur des in diesen Systemen exprimierten LF der des natürlichen LF sehr ähnlich ist“, sagt Liu.

Um synthetische LF-Systeme zu erstellen, ist es wichtig, seine strukturellen Eigenschaften zu kennen. LF hat ein Molekulargewicht von ungefähr 80 Kilodalton und besteht aus etwa 700 Aminosäuren. Es hat die C- und N-terminalen Lappen. Der N-terminale Lappen, der thermodynamisch weniger stabil ist, beherbergt die Eisenbindungsstelle. Durch Erhöhen oder Hinzufügen zusätzlicher Disulfidbrücken zum N-terminalen Lappen kann die Thermostabilität von LF verbessert werden.

LF ist ein Protein, an dessen Stickstoffatom Kohlenhydrate durch einen Prozess namens N-Glykosylierung gebunden sind. Die LF-Glykosylierung erhöht die Resistenz gegen enzymatischen Abbau und erhält so seine strukturelle Stabilität. Daher hängt das Erreichen einer hohen Stabilität von LF von der Verwendung eines geeigneten Wirtsexpressionssystems ab.

In dieser Studie haben die Forscher die vier synthetischen biologischen Wirtssysteme – Bakterien, Hefe, filamentöse Schimmelpilze und Zelllinien – zur Herstellung von hochexprimiertem LF zusammengefasst. Sie diskutierten auch die Herausforderungen und Lösungen für die Konstruktion von ertragreichem LF in diesen Systemen.

In bakteriellen Wirtssystemen ist E. coli das am häufigsten verwendete synthetische biologische System zur LF-Produktion. Das E. coli-System kann 700 mg/l menschliches LF produzieren. Es unterliegt jedoch bestimmten Einschränkungen.

Die proteinabbauende Aktivität von E. coli kann die LF-Proteine ​​schädigen, und dem bakteriellen Wirt fehlt der Mechanismus für biochemische Veränderungen. Darüber hinaus können die neu synthetisierten LF-Proteine ​​dem Wirt Schaden zufügen.

Im Vergleich zum Bakteriensystem sind Hefe und Schimmel konkurrenzfähiger. Beide Wirtssysteme bieten eine starke LF-Expression und können biochemische Prozesse durchführen, wodurch ein stabileres LF-Protein entsteht. Das Haupthindernis bei diesen Systemen besteht jedoch darin, dass das neu produzierte LF für die Systeme toxisch sein kann und somit seine Expression einschränkt.

Die Forscher legten Wert darauf, die LF-Toxizität während der Fermentation zu reduzieren, um die Proteinexpression zu erhöhen. Das endgültige Wirtssystem, Zelllinien, kann möglicherweise LF synthetisieren, das in Struktur und Funktion mit natürlichem LF sehr übereinstimmt.

Zhen Tong, der erste Co-Erstautor, ergänzt: „Die größten Herausforderungen bei Zellliniensystemen sind ihre hohen Kulturkosten, ihre Anfälligkeit für Verunreinigungen und ihre Fähigkeit, menschliche Krankheitserreger zu übertragen. Darüber hinaus ist die Verwendung von Zelllinien in der LF-Produktion im großen Maßstab noch immer begrenzt.“

Xuanqi Zhang, ebenfalls an der Anhui Polytechnique University tätig, spricht über Möglichkeiten, die mit synthetischen biologischen Systemen verbundenen Herausforderungen zu überwinden: „Es ist wichtig, den Transportmechanismus des Expressionswirts neu zu gestalten, um eine schnelle Sekretion des produzierten LF in die extrazelluläre Umgebung sicherzustellen. Wir sollten auch die Ausschaltung wichtiger Enzyme in Betracht ziehen, die LF im Wirt abbauen können.“

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz synthetischer biologischer Systeme dazu beitragen kann, das Problem der Gewinnung von LF im industriellen Maßstab zu lösen. Indem diese Systeme die kontrollierte Produktion von LF durch Gentechnik und Wirt-Organismus-Interaktionen ermöglichen, können sie Türen für Anwendungen in der Lebensmittel-, Pharma- und anderen Sektoren öffnen.