Пиво по расчёту

Биотехнологией в самом простом смысле этого слова занимались еще египтяне и китайцы, догадавшиеся сбраживать фруктовые и зерновые экстракты до образования пива и прочих веселящих напитков. Но все-таки технологи того времени не обладали знаниями о материальной основе эффекта, хотя и могли управлять результатом, меняя содержание углеводов, температуру или время сбраживания.

Открытие дрожжей Saccharomyces cerevisae дало ученым новый инструмент – теперь они опустились до «уровня отдельной клетки» и могли заниматься направленной селекцией и отбором подходящих штаммов. Так появилось светлое пиво. Синтез искусственного инсулина в 1964 году ознаменовал переход биотехнологий на ещё один уровень: теперь ученые могли сначала собирать по частям ген, а потом встраивать его в геном бактерий и получать готовый продукт.

Джеймс Коллинз из Университета Бостона и его коллеги претендуют на новый виток в биотехнологии.

Ученым удалось с помощью компьютерной модели рассчитать работу сети генов и факторов, встроенных в геном пекарских дрожжей, и даже запрограммировать последние на осаждение в заданное время.

Встраивание или выключение одного гена в эукариотическую (ядерную) или прокариотичсекую (доядерную) клетку уже давно является рутинной процедурой в современной лаборатории. Здесь к услугам ученых добрый десяток векторов и ограниченный только фантазией перечень нуклеотидных последовательностей, которые можно воткнуть в геном или оставить плавать в цитоплазме.

Естественно, ничто не мешает повторять эту процедуру многократно с одной и той же популяцией, получая штаммы и линии сразу с несколькими «чужеродными» генами. Это даже нашло свое применение в практической биотехнологии, когда для получения продукта – скажем, того же спирта – требуется несколько последовательно протекающих химических реакций, определяемых различными ферментами.

Проблема же в том, что разные гены могут работать с разной скоростью. Если все реакции протекают последовательно, то в этом нет большой беды – просто общий результат будет определяться по самой медленной из них. Но если часть из процессов идут параллельно, то продукт можно не получить вообще.

Здесь на помощь ученым приходят различные методы регуляции работы генома – от транскрипционных факторов до микро-, модулирующих и коротких интерферирующих РНК. Но одно дело – лаборатория, и совсем другое – производство, где требуется достаточная доля автономности биологической системы и при этом высокая надежность производства.

И здесь самые современные методы, по сути, ничем не отличаются от подходов тысячелетней давности: технологам приходится многократно повторять эксперимент, не зная заранее, какие параметры системы удастся изменить за счет той или ной мутации.

Авторы публикации в Nature Biotechnology предложили, казалось бы, давно напрашивающийся подход: рассчитывать активность генных сетей не in vivo или in vitro, а in silico – попросту говоря, «на компьютере».

В качестве модельного животного Коллинз и его коллеги выбрали обычные пекарские, они же пивные, дрожжи. С одной стороны, работа их генома изучена лучше всех эукариот, с другой – это все таки эу-, а не прокариоты, так что в игру включаются сразу несколько дополнительных факторов вроде изменения последовательности информационной РНК уже после того, как она считалась с ДНК, или вышеупомянутые регулирующие РНК, влияющие на синтез белка в цитоплазме.

Что же касается заданного параметра, здесь авторы не стали гнаться за высокой концентрацией спирта или за субъективными вкусовыми качествами, ограничившись для примера временем седиментации – периодом, проходящим от начала культивирования дрожжей в пробирке до их самостоятельного осаждения.

Это время определяется активацией гена FLO1, кодирующего молекулы адгезии.

Как только этих молекул на поверхности клеток становится достаточно, дрожжи объединяются в островки и выпадают в осадок.

Работа гена FLO1 зависит от промотера, который располагается в самом начале смысловой последовательности и определяет активность считывания, а следовательно, и количество готового продукта (в данном случае молекул адгезии). Работа же промотера может зависеть по принципу положительной или отрицательной обратной связи как от продукта реакции, так и от других молекул.

Ученые искусственно синтезировали несколько промотеров и получили 440 готовых к использованию «таймеров», представляющих собой сеть из нескольких генов и не смысловых, но функциональных последовательностей. Главным достижением учёных стала способность предсказывать время осаждения дрожжей в зависимости от встраивания в геном того или иного «таймера». Это делалось за счет моделирования силы и продолжительности связывания регулирующих последовательностей с промотером.

По сути, Коллинз и коллеги научились определять характеристики штамма до его непосредственного синтеза. Причем это свойство определяется сетью генов, что, по мнению авторов, сделано впервые.

С практическим подтверждением проблем не было: ученые наглядно продемонстрировали, как разные штаммы дрожжей в зависимости от встроенных генов оседали в любой промежуток времени от 50 до 120 часов. Это время осаждения играет важнейшую роль в пивоварении.

Не исключено, что уже в скором времени пивовары и мастера спиртового цеха возьмут этот «таймер» на вооружение и теперь время окончания сбраживания будет определять не электроника, а сами дрожжи, выпадающие в осадок. Что же касается других, более высокотехнологичных приложений, то здесь ещё предстоит создать базу данных, которая могла бы подбирать гены с нужной активностью в зависимости от поставленной задачи.