Революция в производстве инсулина: исследования выявили потенциал бактерий для промышленного синтеза

Ученые всего мира бьют тревогу: хронический дефицит инсулина, вызванный сахарным диабетом 1 типа, затрагивает миллионы жизней, и спрос на этот жизненно важный препарат неуклонно растет. В то время как традиционное производство инсулина основано на генетически модифицированных штаммах дрожжей или клетках млекопитающих, новое исследование, опубликованное в журнале Nature Biotechnology, открывает перспективу более экономичного, результативного и этичного производства с использованием генетически модифицированных бактерий.

Исследовательская группа под руководством профессора Джонса из Массачусетского технологического института (MIT) разработала современную систему, которая позволяет бактериям Escherichia coli вырабатывать человеческий инсулин в больших количествах и с высокой степенью чистоты. Ключом к этому успеху стало улучшение двух ключевых аспектов: трансляции гена инсулина и оптимизации процесса внутриклеточного синтеза.

Традиционно экспрессия гена инсулина осуществляется с использованием сложных промоторов и сайтов связывания с рибосомами, что может ограничить эффективность трансляции в E. coli. Исследователи Массачусетского технологического института модифицировали промоторные последовательности, используя естественные механизмы регуляции экспрессии генов у бактерий, что привело к увеличению экспрессии гена инсулина в несколько раз. В то же время они оптимизировали кодирующие участки гена, устраняя последствия, которые могут замедлить процесс трансляции в бактериальной среде. Это позволило увеличить скорость синтеза предшественника инсулина в кишечной палочке.

Дальнейшая трудность заключалась в правильном сворачивании и расщеплении полипептидных цепей, состоящих из двух цепей (А и В) инсулина, для получения функциональной структуры. Исследователи интегрировали кодоны, кодирующие специфические сигнальные последовательности, в генетическую конструкцию, которая направляла предшественник инсулина к специальным внутриклеточным органеллам, называемым цитоплазматическим матриксом. Внутри матрицы создаются благоприятные условия для надлежащего хранения и разделения цепочек инсулина с помощью эндоплазматического ретикулума и бактериальных протеаз, что гарантирует получение активного продукта.

Особенностью новой системы является отсутствие необходимости в дополнительных стадиях разделения и очистки, которые традиционно требуют значительных ресурсов и времени. Бактерии вырабатывают инсулин в виде комплекса со специальными белками, что значительно упрощает последующую экстракцию и очистку, повышая целостность и биологическую активность продукта.

Результаты исследования демонстрируют впечатляющую эффективность новой системы. Бактерии E. coli, предварительно оснащенные модифицированными генами, выделяли человеческий инсулин в количестве, превышающем выработку традиционных штаммов дрожжей, а качество получаемого инсулина соответствовало фармацевтическим стандартам.

Открытия команды Массачусетского технологического института обладают огромным потенциалом для реформирования производства инсулина. Помимо экономических выгод (бактерии быстро размножаются и не требуют сложных питательных сред), эта технология имеет экологические преимущества – она снижает потребление энергии и ресурсов и сводит к минимуму риск заражения болезнями животных, которые могут передаваться при использовании клеток млекопитающих в традиционных процессах.

На пути к широкому внедрению технологии остается пройти этап крупномасштабной промышленной оптимизации и получить соответствующие разрешения регулирующих органов. Но потенциал использования генетически модифицированных бактерий для производства инсулина, как подчеркивают эксперты, может значительно приблизить мир к решению глобальной проблемы доступности высококачественных препаратов инсулина для всех пациентов с сахарным диабетом.