Что такое белковая инженерия, и какие возможности она открывает, рассказывает Иван Гущин, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ, кандидат физико-математических наук.
Фото: Предоставлено пресс-службой МФТИ
Фото: Предоставлено пресс-службой МФТИ
Белки — широко распространенные в живой природе молекулы, которые выполняют огромное количество функций. Иногда нас полностью устраивает то, что они делают, иногда мы думаем, что можно сделать лучше, и тогда возникает мысль — а не попробовать ли целенаправленно их изменить? В этом и заключается белковая инженерия.
Живее всех живых
В отличие от других материалов или молекул, белки синтезируются живыми системами, и это самый простой и дешевый способ их получать. Поэтому, когда мы говорим о белковой инженерии, то это подразумевает, что сначала мы изменяем ген, кодирующий этот белок, а потом уже получаем белок при помощи живой системы. Это, с одной стороны, ограничивает наши способности по инженерии, а с другой — дает надежду получать белки максимально экологически безопасными способами.
Белки могут быть очень разнообразными, хотя всегда состоят из одних и тех же 20 аминокислот, но в разных комбинациях. Соответственно, они могут выполнять разные функции. Первый наш проект — это инженерия светящихся белков. Это важно для фундаментальных и прикладных исследований, когда мы хотим посмотреть на живые системы и увидеть то, что само по себе бесцветно, или посмотреть сразу на несколько процессов одновременно. Один из способов сделать это — пометить интересующие нас объекты флуоресцентным белком. Мы стараемся сделать белки, которые будут работать, например, в бескислородных условиях, в среде с высокой температурой и так далее.
Некоторые любят погорячее
Это нужно для ряда исследований — например, чтобы понять процесс бактериального заражения в условиях, когда нет кислорода, или при повышенной температуре. Известно, что помимо привычных нам бактерий, живущих при комнатной температуре, существуют микроорганизмы, которые прекрасно себя чувствуют при 80°C и, что называется, в ус не дуют.
Как мы находим нужные белки? Изначально мы анализируем геномные базы данных. В природе есть огромное количество бактерий, люди научились их секвенировать и выкладывать эту информацию в общий доступ. Но это первый шаг. Дальше эти данные лежат и ждут, когда кто-то ими воспользуется. Мы эти базы данных анализируем, находим те белки, которые имеют шанс светиться, синтезируем ген, помещаем его в кишечную палочку и смотрим, получается ли из этого гена белок, который нам нужен. Сначала мы находим белок, который хоть как-то светится, а потом начинаем рационально его улучшать.
На этом пути у нас уже есть замечательные результаты. Мы нашли очень термостойкий белок, чему очень рады. Он оказался простым и приятным в работе, и мы на нем обучаем студентов всем базовым лабораторным методам. Мы помещали его в разные бактерии и смогли сделать варианты этого белка, которые излучают свет разного цвета, и за счет этого, когда мы смешиваем три разных вида бактерий, мы можем увидеть их по отдельности и наблюдать, какой из видов как живет. Это чрезвычайно захватывающее зрелище.
Топливо из белков
Следующий проект тоже касается фотоактивных белков, но теперь это ферменты, которые называются фотодекарбоксилазами жирных кислот. Они под действием света отщепляют от кислот карбоксильную группу, или группу COOH, в результате чего жирная кислота превращается в углеводород. Первое потенциальное применение этих ферментов — для производства биотоплива. Многие микроорганизмы могут вырабатывать большое количество жирных кислот, но микроорганизмов, которые могут вырабатывать большое количество углеводорода, нет. Поэтому у нас есть надежда, что этот фермент — недостающее звено, при помощи которого получится сделать, например, водоросли или дрожжи, которые будут использовать солнечный свет и превращать те же пищевые отходы в биотопливо. Эта область исследований сейчас активно развивается во всем мире, и мы тоже стараемся не отставать. Наше большое преимущество в том, что мы, находясь в МФТИ, хорошо знаем физику, у нас развиты физические и структурные методы исследования, и мы надеемся выиграть эту гонку.
Третий проект — это белки, которые называются гликозид-гидролазы. Они расщепляют химические связи в полисахаридах. Одно из больших применений — это борьба с биопленками. Многие бактерии, пытаясь защититься от окружающей среды, могут образовывать биопленки, которые во многом состоят из полисахаридов, от которых очень сложно избавиться обычными средствами обработки. Они могут очень долго жить в больницах, вызывая внутрибольничные инфекции. Есть надежда, что, используя этот природный белок, мы сможем создать принципиально новое средство обработки, способное разрушать эти биопленки.
Это направление сейчас бурно развивается во всем мире. Во многих моющих средствах и стиральных порошках присутствуют ферменты, помогающие расщеплять загрязнения другого типа, однако надежных средств от биопленок пока не существует. Нужно, чтобы эти белки были не только эффективны, но и достаточно дешевы в производстве. Пока что пойти в магазин и купить такое средство на основе белков возможности нет. А хотелось бы. Мы надеемся, что у нас всё получится.
Черный ящик
История исследования белков не слишком давняя. Поначалу это был своего рода «черный ящик» для ученых: они предполагали, что белки что-то делают, но не понимали, что и как. В последние сорок лет с развитием физико-химических методов быстро развивалась структурная биология, когда ученые смогли увидеть атомарное устройство белков, сначала растворимых, а в последние пару десятилетий — и мембранных. Накопилось достаточно много структурных данных, так что в последние два-три года появилось множество компьютерных алгоритмов, которые позволяют предсказывать и создавать белки на уровне, совсем недавно недостижимом.
Два-три года назад мы придумывали какие-то новые варианты белка, и из них работал один из тысячи. Это были очень дорогие разработки, потому что нужно было проверить всю тысячу вариантов, чтобы один «выстрелил». А сейчас процент успеха доходит до пятидесяти, когда мы берем два белка — и один из них имеет шанс работать. За счет этого вся область исследований переживает взрывной рост. Мы можем сказать, что на наших глазах происходит настоящая революция в белковой инженерии. Белки от нишевого, малоперспективного инструмента эволюционируют к чему-то активному, повсеместно используемому в медицинской, химической или агропромышленности.
Сладкая жизнь
Что касается пищевой промышленности, то там их уже применяют. Есть один особенно многообещающий пример. У всех на слуху сейчас белковые подсластители. В России есть компании, которые разрабатывают такие «сладкие белки»: по массе он в несколько тысяч раз более сладкий, чем такое же количество сахара, но химически это не сахар. Есть большая надежда, что он не будет приводить к тем же негативным последствиям для здоровья, к каким приводит чрезмерное употребление сахара.
Второй пример — ферменты, которые повышают набор животными клеточной массы за счет того, что они разлагают клеточные стенки растений, которыми кормят парнокопытных. С этим связаны большие перспективы развития сельского хозяйства.
На мой взгляд, за белками большое будущее, потому что это дружелюбная по отношению к природе технология. Они могут производиться в щадящих условиях живыми биологическими системами с использованием отходов и солнечного света, поэтому, вместе с другими подходами синтетической биологии, имеют огромный потенциал как элемент технологий для устойчивого развития. Мы увидим прорывные результаты в этой области уже в ближайшие годы.