Ученые нашли новый способ производства белков и лекарств

Электростанции постоянно сжигают ископаемое топливо, чтобы преобразовать солнечную энергию, накопленную растениями тысячелетия назад, в электричество. Но пойти в другом направлении — преобразовать электричество в биологически полезную форму энергии — было гораздо сложнее. Однако теперь простая химическая схема может преобразовывать электрическую энергию в аденозинтрифосфат (АТФ), химическое топливо, используемое всеми клетками, сообщают ученые. Благодаря этому процессу электричество из возобновляемых источников может когда-нибудь привести в действие биофабрики, производящие все: от белковых добавок до лекарств.

Этот новый подход использует биологические процессы для выполнения функций, в которых природа никогда не нуждалась, но которые могли бы принести пользу обществу,

говорит Майкл Джуэтт, биоинженер из Стэнфордского университета.

В клетках растений органеллы, называемые хлоропластами, используют солнечный свет для выработки АТФ в рамках процесса фотосинтеза. Затем АТФ приводит в действие множество реакций, необходимых для метаболизма. Когда используется молекула АТФ, она лишается одной из своих фосфатных групп, образуя аденозиндифосфат или АДФ. Затем АДФ перерабатывается и подается больше захваченной энергии для регенерации АТФ. Растительноядные животные сжигают глюкозу для обеспечения того же цикла, который происходит примерно 10 миллионов раз в секунду в каждой клетке.

Промышленные биотехнологи подключаются к этому циклу, используя специально выведенные или модифицированные микробы для производства всего: от биотоплива до фармацевтических препаратов. Процесс обычно начинается с выращивания растений для производства сахара или других продуктов питания, которые можно скармливать дрожжам, кишечной палочке или другим промышленным микробам. Микробы используют пищу для выработки АТФ, которая приводит в действие желаемые биохимические реакции. Но растения обычно преобразуют только 1% энергии солнечного света в сахара или другие соединения, поэтому такие процессы неэффективны.

Напротив, солнечные элементы обычно преобразуют 20% или более энергии солнечного света в электричество. Учитывая это несоответствие, Тобиас Эрб, биолог-синтетик из Института наземной микробиологии Макса Планка, и его коллеги искали способ более прямого преобразования электричества в АТФ. В 2016 году исследователи из Испании сделали это, точно ориентировав копии АТФ-генерирующего фермента, называемого АТФ-синтазой, в мембране, прилегающей к электроду. По словам Эрба, этот подход сработал в лаборатории, но показался слишком сложным, чтобы его можно было использовать на практике.

Команда Эрба решила разработать более простой подход, создав «цикл ААА», в котором четыре фермента в растворе используют электричество и используют его для преобразования АДФ, добавленного в качестве реагента, в АТФ. Ключом к этому процессу, по словам Эрба, является вольфрамсодержащий фермент под названием альдегидферредоксиноксидоредуктаза (АОР), который был выделен из бактерии всего 9 лет назад. AOР не может напрямую конвертировать АДФ в АТФ. Скорее, он действует как двигатель, приводящий в действие процесс. 

AOР захватывает пары электронов с электрода и использует их для создания богатой энергией химической связи с исходным соединением, называемым пропионатом, превращая его в пропиональдегид. Затем другие ферменты модифицируют это химическое вещество дальше, пока последний фермент не переработает исходное соединение, перезапуская цикл и одновременно высвобождая энергию связи. Затем команда использовала этот АТФ для преобразования ДНК в РНК и белки в бесклеточной среде.

Простой цикл ААА — это умный и элегантный подход… он намного проще, чем то, как биология естественным образом производит АТФ. Это может стать перспективной технологией для развивающейся области электробиосинтеза, которая фокусируется на использовании электричества для обеспечения роста всего, от продуктов питания до фармацевтических препаратов, 

говорит Дрю Энди, биолог-синтетик из Стэнфорда. 

Однако цикл ААА необходимо улучшить. В растворе АОР сохраняется всего около 1 часа. Но Эрб говорит, что его команда уже пытается разработать более стабильные ферменты и защитить их внутри геля, который можно прикрепить к электроду. Если любой из них добьется успеха, биоинженеры вскоре смогут получить новый способ управления производственными процессами.