Vědci zvýšili produkci proteinů v mikrobech pomocí kruhové mRNA

Vědci vyvinuli technologii syntetické biologie, která dokáže výrazně zvýšit produkci proteinů v mikrobiálních buňkách, a to díky převedení snadno degradovatelné mRNA do stabilnější, kruhové formy. Podle dostupných poznatků tento přístup umožňuje zvýšit výtěžnost proteinů až šestinásobně ve srovnání s běžnou lineární formou mRNA, což otevírá nové možnosti pro biotechnologický a farmaceutický průmysl.

Messengerová RNA (mRNA) slouží jako přenašeč genetické informace z DNA do buněčného aparátu, kde se podle ní syntetizují proteiny. Problémem klasické, lineární mRNA je však její nestabilita – buněčné enzymy ji dokážou poměrně rychle rozložit, což omezuje množství proteinu, které lze z jedné molekuly mRNA vyrobit. Kruhová forma mRNA je vůči tomuto rozkladu odolnější, protože nemá volné konce, na kterých by mohly enzymy degradaci zahájit. Díky tomu vydrží v buňce déle aktivní a může sloužit jako předloha pro tvorbu proteinů po delší dobu.

Princip technologie spočívá v tom, že se lineární molekula mRNA uvnitř mikrobiální buňky enzymaticky nebo chemicky uzavře do kruhu. Tento proces probíhá přímo v living buňkách, tedy in vivo, což je odlišuje od některých starších metod, které vyžadovaly cirkularizaci mRNA mimo buňku a její následné vnesení dovnitř. Přímá tvorba kruhové mRNA uvnitř mikroorganismů zjednodušuje výrobní proces a snižuje náklady spojené s přípravou a purifikací molekuly před jejím použitím.

Zvýšená stabilita kruhové mRNA se přímo promítá do vyšší produkce proteinů. Podle uváděných výsledků dokáže tato technologie zajistit až šestinásobné zvýšení výtěžnosti proteinu oproti standardní lineární mRNA. To má praktický význam především tam, kde je klíčové vyrobit co nejvíce proteinu z co nejmenšího množství vstupního materiálu – tedy v biofarmaceutickém průmyslu, při výrobě enzymů pro průmyslové účely nebo při vývoji vakcín a terapeutik založených na proteinech.

Mikrobiální buňky, jako jsou bakterie nebo kvasinky, se v biotechnologii dlouhodobě využívají jako „továrny“ na výrobu proteinů, protože je lze snadno pěstovat ve velkém měřítku a geneticky upravovat podle potřeby. Zavedení technologie kruhové mRNA do těchto systémů představuje další krok ve zvyšování efektivity výroby, aniž by bylo nutné měnit celý výrobní řetězec nebo investovat do zcela nové infrastruktury.

Syntetická biologie jako obor se dlouhodobě zaměřuje na navrhování a přestavbu biologických systémů tak, aby plnily nové nebo vylepšené funkce. Práce s formou mRNA, konkrétně přechod od lineární k cirkulární struktuře, zapadá do tohoto trendu – jde o relativně jednoduchý zásah na molekulární úrovni, který má ale výrazný dopad na výkonnost celého biologického systému. Namísto zásahů do genomu buňky nebo komplexních metabolických drah stačí upravit vlastnosti samotné molekuly, která nese instrukce pro tvorbu proteinu.

Praktické využití takové technologie se nabízí zejména tam, kde je výroba proteinů finančně nebo časově náročná. Vyšší výtěžnost znamená, že k dosažení stejného množství proteinu je potřeba méně biomasy, méně živin a kratší dobu kultivace, což se odráží ve snížení celkových nákladů výroby. To je relevantní jak pro laboratorní výzkum, kde jsou proteiny potřeba v menším množství pro experimentální účely, tak pro průmyslovou výrobu, kde se počítá s tunami produktu ročně.

Technologie zatím zůstává především v oblasti výzkumu a vývoje, přičemž jejím dalším směřováním bude pravděpodobně ověřování škálovatelnosti procesu a jeho adaptace na různé druhy mikrobiálních hostitelů. Otázkou zůstává i to, jak snadno lze tento přístup kombinovat s dalšími metodami zvyšování exprese proteinů, které se v biotechnologii běžně používají, jako je optimalizace kodonů nebo úprava regulačních sekvencí. Kombinace kruhové mRNA s těmito staršími technikami by mohla vést k ještě vyšší efektivitě produkce.

Vývoj v oblasti syntetické biologie tímto směrem ukazuje, že i relativně malé strukturní změny na úrovni molekul mohou mít zásadní dopad na výkonnost biologických výrobních systémů. Pro obor, který se dlouhodobě potýká s otázkou, jak zefektivnit výrobu proteinů potřebných pro medicínu i průmysl, představuje tato technologie jeden z konkrétních kroků, jak snížit náklady a zároveň zvýšit množství vyrobeného produktu.