Quando si introducono geni nel lievito per fargli produrre farmaci e altre sostanze utili, è anche necessario attivare o disattivare in modo affidabile la produzione. Un team dell’Università di Kobe ha individuato tre principi di progettazione della regolazione genetica che forniscono una linea guida flessibile per il controllo efficace della produzione microbiologica.
Si dice che il DNA sia il progetto della vita, che racconta alle nostre cellule Che cosa produrre. Ma il DNA contiene anche gli interruttori che comunicano a quelle cellule Quando produrre qualcosa e quanto. Pertanto, quando si introducono nuovi geni nelle cellule per produrre sostanze chimiche utili come farmaci o materie prime per la produzione chimica, è necessario includere anche un interruttore genetico, un pezzo di DNA chiamato “promotore”, che dice alle cellule di avviare la produzione come necessario. TOMINAGA Masahiro, bioingegnere dell’Università di Kobe, afferma: “Il problema è che questi promotori non possono essere utilizzati in modo plug-and-play a meno che i ricercatori non comprendano profondamente come interagiscono con altri elementi genetici. In effetti, non sono molti i casi in cui i ricercatori utilizzano prodotti artificiali promotori di controllare con precisione la produzione cellulare e raggiungere il loro scopo di ricerca.” A volte la produzione è troppo bassa, a volte è “leaky”, ovvero non può essere disattivata a piacimento. Ciò è particolarmente vero per il lievito di bioingegneria, che è più complesso nella sua regolazione genetica rispetto ai batteri. Ma questa maggiore complessità ne consente anche l’utilizzo per produrre molte sostanze chimiche utili.
In qualità di esperti nella modifica delle cellule di lievito, Tominaga e i colleghi del team guidato da ISHII Jun hanno adottato un approccio sistematico per capire come progettare promotori efficaci. “Ci è venuta l’idea che, descrivendo attentamente il nostro processo di miglioramento di un promotore prototipo, avremmo potuto preparare un ‘manuale utente’ su come ottenere un controllo preciso e ad alte prestazioni in modo che questi sistemi genetici potessero essere utilizzati più ampiamente,” Tominaga spiega.
In un articolo ora pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla naturadescrivono tre principi di progettazione per i promotori del lievito. In primo luogo, se i ricercatori non solo necessitano di grandi quantità di prodotto ma anche della capacità di attivare o disattivare la produzione a piacimento, dovrebbero introdurre più copie degli elementi normativi che consentono ciò all’interno del promotore. Ciò riduce le perdite e aumenta la produttività. In secondo luogo, la distanza tra gli elementi promotori dovrebbe essere la più piccola possibile per aumentare ulteriormente la produttività. E in terzo luogo, il promotore dovrebbe essere isolato dal DNA circostante includendo DNA extra prima di esso per ridurre ulteriormente le perdite. Tominaga afferma: “Abbiamo dimostrato che le prestazioni di un promotore possono essere migliorate più di 100 volte semplicemente modificando la sequenza circostante. Questo è il primo studio a proporre chiaramente una soluzione al problema del perché i potenti promotori del lievito funzionano in alcuni ambienti e non in altri”. .”
I bioingegneri dell’Università di Kobe hanno dimostrato l’utilità del loro sistema mostrando la produzione di due proteine farmaceuticamente utili, i cosiddetti “prodotti biologici”. Non solo potrebbero produrre questi due prodotti biologici in ceppi di lievito separati, ma anche nello stesso ceppo e con la capacità di controllare in modo indipendente quale biologico viene prodotto in qualsiasi momento. Quest’ultimo è importante perché ha potenziali applicazioni negli ospedali, come spiega il team nello studio: “Oltre alla fermentazione convenzionale di singoli prodotti biologici, la produzione rapida e monodose di più prodotti biologici con un singolo ceppo di lievito nel punto di la cura è fondamentale per le emergenze che richiedono velocità di produzione e flessibilità piuttosto che purezza e produttività.” Sono inoltre riusciti a produrre, notoriamente difficile, una proteina del coronavirus che può essere utilizzata per la produzione di trattamenti, dimostrando ulteriormente sia l’utilità che la flessibilità dei loro principi di progettazione.
Tominaga spiega la sua visione più ampia sulle implicazioni di questo studio: “La biologia sintetica sostiene la creazione di nuove funzioni biologiche riscrivendo le sequenze del genoma. La realtà è tuttavia che spesso siamo confusi dai cambiamenti inaspettati derivanti dalle nostre modifiche. Ci auguriamo che il nostro studio sia il primo passo verso la capacità di progettare ogni singola base del genoma con intenzioni chiare.”
Questa ricerca è stata finanziata dall’Agenzia giapponese per la ricerca e lo sviluppo medico (sovvenzioni JP21ae0121002, JP21ae0121005, JP21ae0121006, JP21ae0121007, JP20ae0101055 e JP20ae0101060), dalla Japan Science and Technology Agency (sovvenzioni JPMJCR21N2 e JPMJGX23B4) e la Società giapponese per la promozione della scienza (borse JP23K26469, JP23H01776 e JP18K14374). È stato condotto in collaborazione con ricercatori della Pharma Foods International Co. Ltd e del National Institute of Health Sciences.
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