Hình dung về nguồn cung cấp thuốc không có động vật, lần đầu tiên các nhà khoa học đã lập trình lại một loại vi khuẩn phổ biến để tạo ra một phân tử polysacarit thiết kế được sử dụng trong dược phẩm và dược phẩm dinh dưỡng.
Được công bố hôm nay trên tạp chí Nature Communications, các nhà nghiên cứu đã biến đổi vi khuẩn E. coli để sản xuất chondroitin sulfat, một loại thuốc được biết đến nhiều nhất như một chất bổ sung chế độ ăn uống để điều trị bệnh viêm khớp hiện có nguồn gốc từ khí quản bò.
>> Tham khảo: Các mô hình toán học xử lý số có thể khiến các nhà hoạch định chính sách đau đầu.
E. coli biến đổi gen được sử dụng để tạo ra một danh sách dài các protein dược liệu, nhưng phải mất nhiều năm để khuyến khích vi khuẩn tạo ra loại phân tử đường liên kết đơn giản nhất – được gọi là glycosaminoglycan sunfat – thường được sử dụng làm thuốc và thực phẩm chức năng..
Mattheos Koffas, trưởng nhóm nghiên cứu và là giáo sư về kỹ thuật hóa học và sinh học tại Rensselaer cho biết: “Đó là một thách thức đối với kỹ sư E. coli để tạo ra các phân tử này và chúng tôi đã phải thực hiện nhiều thay đổi cũng như cân bằng những thay đổi đó để vi khuẩn phát triển tốt”.
Học viện bách khoa. “Nhưng nghiên cứu này cho thấy rằng có thể sản xuất các polysacarit này bằng cách sử dụng E. coli theo kiểu không có động vật và quy trình có thể được mở rộng để sản xuất các glycosaminoglycan sunfat khác.”
>> Tham khảo: Động cơ điện nano làm từ vật liệu DNA.
Tại Rensselaer, Koffas đã làm việc với Jonathan Dordick, một giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học, và Robert Linhardt, giáo sư hóa học và sinh học hóa học.
Cả ba đều là thành viên của Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Liên ngành. Dordick là người tiên phong trong việc sử dụng enzym để tổng hợp vật liệu và thiết kế các công cụ sinh học phân tử để phát triển các loại thuốc tốt hơn.
Linhardt là một chuyên gia về glycans và là một trong những chuyên gia hàng đầu thế giới về heparin làm loãng máu, một glycosaminoglycans sunfat hiện có nguồn gốc từ ruột lợn.
Linhardt, người đã phát triển phiên bản tổng hợp đầu tiên của heparin, cho biết kỹ thuật E. coli để sản xuất thuốc có nhiều ưu điểm so với quy trình chiết xuất hiện tại hoặc thậm chí là quy trình hóa enzym.
>> Tham khảo: Nam châm nhỏ hơn, mạnh hơn có thể cải thiện các thiết bị khai thác sức mạnh tổng hợp của mặt trời và các ngôi sao.
“Nếu chúng tôi điều chế chondroitin sulfat theo phương pháp hóa học, và chúng tôi tạo ra một gam, và phải mất một tháng để tạo ra, và ai đó gọi cho chúng tôi và nói, ‘Chà, bây giờ tôi cần 10 gam’, thì chúng tôi sẽ phải mất một tháng nữa để làm 10 gram,” Linhardt nói.
“Trong khi đó, với quá trình lên men, bạn ném sinh vật đã được thiết kế vào một cái bình và bạn có nguyên liệu, cho dù đó là một gam, 10 gam hay một kilôgam. Đây là tương lai.”
“Khả năng cung cấp cho một loại vi khuẩn đơn giản một con đường sinh tổng hợp chỉ tìm thấy ở động vật là rất quan trọng để tổng hợp ở quy mô có liên quan đến thương mại.
Điều quan trọng không kém là sản phẩm thuốc phức hợp mà chúng tôi sản xuất ở E. coli có cấu trúc giống như sản phẩm được sử dụng làm thuốc bổ sung chế độ ăn uống.” Dordick nói.
Koffas vạch ra ba bước chính mà nhóm nghiên cứu phải xây dựng trong vi khuẩn để nó tạo ra chondroitin sulfat: đưa vào một cụm gen để tạo ra phân tử tiền chất polysacarit không sunfat, chế tạo vi khuẩn để tạo ra nguồn cung dồi dào phân tử cho lưu huỳnh đắt tiền về mặt năng lượng và giới thiệu một enzyme transferase lưu huỳnh để đưa phân tử chất cho lưu huỳnh vào phân tử tiền chất polysacarit không sunfat.
>> Tham khảo: Vi khuẩn biến đổi gen hứa hẹn cho ngành nhiên liệu sinh học bền vững.
Giới thiệu một loại enzyme sulfotransferase đang hoạt động đặt ra một thách thức đặc biệt khó khăn.
Koffas nói: “Các sulfotransferase được tạo ra bởi các tế bào phức tạp hơn nhiều. “Khi bạn lấy chúng ra khỏi một tế bào nhân chuẩn phức tạp và đưa chúng vào E. coli, chúng không hoạt động chút nào. Về cơ bản, bạn không nhận được gì. Vì vậy, chúng tôi đã phải thực hiện khá nhiều kỹ thuật protein để làm cho nó hoạt động.”
Trước tiên, nhóm nghiên cứu tạo ra cấu trúc của enzym, sau đó sử dụng một thuật toán để giúp xác định các đột biến mà họ có thể tạo ra đối với enzym để tạo ra một phiên bản ổn định có thể hoạt động ở E. coli.
Mặc dù E. coli đã biến đổi tạo ra sản lượng tương đối nhỏ — theo thứ tự microgam trên lít — nhưng chúng phát triển mạnh trong điều kiện phòng thí nghiệm thông thường, mang lại một bằng chứng vững chắc về khái niệm.
>> Tham khảo: Kích hoạt vi khuẩn hiệu quả để tạo ra các hóa chất có giá trị cao.
“Công trình này là một cột mốc quan trọng trong kỹ thuật và sản xuất sinh học và nó mở ra con đường mới trong một số lĩnh vực như trị liệu và y học tái tạo cần một nguồn cung cấp đáng kể các phân tử cụ thể mà quá trình sản xuất bị mất đi do lão hóa và bệnh tật,” Deepak Vashishth, giám đốc của Viện nghiên cứu cho biết.
CBIS. “Những tiến bộ như vậy được sinh ra và phát triển trong môi trường liên ngành có thể thực hiện được nhờ sự tích hợp độc đáo giữa kiến thức và tài nguyên có sẵn tại Rensselaer CBIS.”
