Биологам в Калифорнийском университете Сан-Диего удалось создать генетически инженерные водоросли для производства сложного и дорогостоящего терапевтического лекарственного средства для лечения рака.
Их достижения, подробно изложенные в статье на раннем онлайн-выпуске на этой неделе в «Известиях Национальной академии наук», открывают двери для создания этих и других «дизайнерских» белков в больших количествах и намного дешевле, чем теперь можно сделать из клеток млекопитающих ,
«Поскольку мы можем сделать тот же самый препарат в водорослях, у нас есть возможность резко снизить цену», – сказал Стивен Мэйфилд, профессор биологии в Калифорнийском университете Сан-Диего и директор Центра биотехнологии водорослей Сан-Диего или SD- CAB, консорциум исследовательских учреждений, который также работает над разработкой новых видов биотоплива из водорослей.
Их метод можно было бы даже использовать для создания новых сложных дизайнерских лекарств, которые не могут быть произведены в каких-либо других системах – лекарствах, которые могут быть использованы для лечения рака или других заболеваний человека по-новому.
«Вы не можете делать эти препараты в бактериях, потому что бактерии не способны сбрасывать эти белки в эти сложные трехмерные формы», – сказал Мэйфилд. «И вы не можете сделать эти белки в клетках млекопитающих, потому что токсин их убьет».
Наступление – это завершение семилетней работы в лаборатории Мэйфилда, чтобы продемонстрировать, что Chlamydomonas reinhardtii, зеленая водоросль, широко используемая в лабораториях биологии в качестве организма генетической модели, может производить широкий спектр человеческих терапевтических белков в большем количестве и дешевле, чем бактерии или клеток млекопитающих.
Mayfield и его коллеги достигли своего первого прорыва пять лет назад, когда продемонстрировали, что они могут продуцировать амилоидный белок млекопитающих в водорослях. В следующем году им удалось получить водоросли для продуцирования белка человеческого антитела. В 2010 году они продемонстрировали, что более сложные белки – терапевтические лекарственные средства человека, такие как фактор роста эндотелия человека или VEGF, используемые для лечения пациентов, страдающих от эмфиземы легких, могут быть получены в водорослях.
Затем в мае этого года группа Мэйфилда, работающая с другой командой во главе с Джозефом Винетцем из Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего, спроектировала водоросли для производства еще более сложного белка – новой вакцины, которая, по предварительным экспериментам, может защитить миллиарды людей от малярии, одной из самых распространенных и изнурительных болезней в мире.
«То, что развитие малярийной вакцины показало нам, было то, что водоросли могли продуцировать белки, которые были действительно сложными структурами, содержащими большое количество дисульфидных связей, которые все равно будут складываться в правильные трехмерные структуры», – сказал Мэйфилд. «Антитела были первыми сложными белками, которые мы сделали. Но малярийная вакцина сложна, а дисульфидные связи довольно необычны. Поэтому, когда мы это сделали, мы убедились, что можем что-то сделать в водорослях ».
В своей последней разработке ученые генетически спроектировали водоросли для производства сложного трехмерного белка с двумя «доменами», один из которых содержит антитело, которое может проникать внутрь и прикрепляться к раковой клетке и другому домену, содержащему токсин что убивает связанные раковые клетки. Такие «слитые белки» в настоящее время создаются фармацевтическими компаниями в сложном двухэтапном процессе, сначала развивая домен антител у китайского хомяка или CHO, клетки. Антитело очищают, затем химически присоединяют к токсину вне клетки. Затем окончательный белок повторно очищают.
«У нас есть двукратное преимущество перед этим процессом», – сказал Мэйфилд. «Во-первых, мы делаем это как один белок с антителами и доменами токсинов, слитыми вместе в одном геном, поэтому нам нужно только очистить его один раз. А во-вторых, потому что мы делаем это в водорослях, а не в клетках СНО, мы получаем огромное преимущество в затратах на производство белка ».
Слитый белок исследователи в своей лаборатории, полученные из водорослей, идентичны тем, которые разрабатываются фармацевтическими компаниями с предлагаемой стоимостью более 100 000 долларов США. Этот же белок может быть произведен в водорослях на долю этой цены, сообщают в своей статье. И исследователи UCSD – Миллер Тран, Кристина Ван, Дэн Баррера и Джек Буи в Медицинской школе Калифорнийского университета в Сан-Диего – подтвердили, что соединение работает как более дорогостоящее лечение: оно принимало участие в раковых клетках и препятствовало развитию опухолей в лаборатории мышей.
Мэйфилд сказал, что такой слитый белок не мог быть произведен в клетке CHO млекопитающих, потому что токсин убил бы его. Но поскольку белок был произведен в хлоропластах водорослей – части водорослевых и растительных клеток, где происходит фотосинтез, он не убивал водоросли.
«Белок был секвестрирован внутри хлоропласта», – сказал Мэйфилд. «И хлоропласт имеет разные белки от остальной части клетки, и на них не влияет токсин. Если бы белок, который мы приготовили, должен был вытекать из хлоропласта, он бы убил клетку. Поэтому удивительно думать, что из хлоропластов не вытекла одна молекула. Есть буквально тысячи экземпляров этого белка внутри хлоропластов, и ни один из них не просочился ».
Мэйфилд сказал, что производство этого конкретного слитого белка было довольно простым, поскольку оно включало сплавление двух доменов – одного для распознавания и связывания с раковыми клетками, а другое – для их уничтожения. Но в будущем он подозревает, что этот же метод может быть использован для разработки водорослей для производства более сложных белков с несколькими доменами.
«Можем ли мы объединить четыре или пять доменов и создать дизайнерский белок в водорослях с несколькими функциями, которых нет в природе? Думаю, мы сможем? »- добавил он. «Предположим, я хочу связать рецепторный белок с серией активаторных белков, чтобы я мог стимулировать производство костей или производство нейронов? В какой-то момент вы можете начать думать о медицине так же, как мы думаем о сборке компьютера, объединяя разные модули с определенными целями. Мы можем произвести белок, который имеет один домен, который нацелен на тип ячейки, на которую вы хотите воздействовать, и другой домен, который указывает, что вы хотите, чтобы ячейка могла делать ».
Исследовательский проект был поддержан грантами Национального научного фонда и Фонда семьи Скаггс.