Pichia pastoris против китайского хомячка: биотехнологический прорыв из Германии

Белок DNase1 — один из старейших биологических препаратов, известных медицине. Он используется с 1958 года, в том числе для лечения муковисцидоза. Однако его производство связано с высокими затратами: для получения DNase1 применяются так называемые иммортализованные клетки китайского хомячка, выращивание которых требует значительных ресурсов. Намного проще и дешевле было бы синтезировать этот белок с помощью дрожжевых клеток — и теперь это стало возможным.

Команда под руководством доктора Маркуса Напирея из кафедры анатомии и молекулярной эмбриологии Рурского университета в Бохуме, которой также руководит профессор Беате Бранд-Забери, впервые смогла добиться производства человеческого DNase1 в клетках дрожжей. Исследование опубликовано в журнале PLOS One.

В основе метода — использование дрожжевого гриба Pichia pastoris, который давно и успешно применяется в биотехнологии. Генетическую информацию о нужном белке вводят в клетки дрожжей с помощью электрического импульса и синтетической ДНК. Клетки интегрируют этот материал в свой геном и начинают воспроизводить закодированный белок. По словам Напирея, дрожжи выгодно отличаются от клеток млекопитающих: они дешевле в выращивании, размножаются быстрее и менее подвержены вирусным инфекциям.

В рамках своей диссертации аспирант Ян-Оле Кришек, работавший под руководством Напирея и профессора Ханса Георга Маннхерца, впервые смог получить, очистить и охарактеризовать человеческий DNase1, синтезированный Pichia pastoris. Учёных удивило, что уровень производства человеческого белка оказался значительно ниже, чем у аналогичного мышиного DNase1, несмотря на 82% совпадения в первичной структуре. Одна из причин — особенности трёхмерного сворачивания молекул, которое сильно влияет на эффективность синтеза.

Белок DNase1 играет важную роль в организме: он расщепляет внеклеточную ДНК, появляющуюся в тканях в результате клеточной гибели или иммунных реакций. Это особенно актуально при муковисцидозе, когда в бронхах образуется густая слизь с высоким содержанием ДНК. Ингаляции с DNase1 делают слизь более жидкой, облегчая дыхание и отхождение мокроты. Сегодня этот препарат производится из эпителиальных клеток яичников хомяка и используется с 1993 года.

Но спектр потенциального применения DNase1 гораздо шире. Белок участвует в разрушении так называемых внеклеточных ловушек нейтрофилов (NETs), которые помогают бороться с бактериями, но при сепсисе или тяжёлом COVID-19 их избыточное образование может приводить к микротромбозам. Учёные считают, что DNase1 может быть использован для растворения таких тромбов. Кроме того, этот белок исследуется как средство для устранения закупорки мозговых артерий при ишемических инсультах.

Результаты команды из Бохума могут стать важным шагом к удешевлению и масштабированию производства DNase1 на дрожжевой основе, что откроет путь к его более широкому применению в медицине. Подобные прорывы в биотехнологии показывают, как современные методы могут революционизировать производство медицинских препаратов.