Mikroorganismer, som vanlig bagerijäst, används som cellfabriker för att tillverka olika kemikalier och proteiner, till exempel insulin. Genom att modifiera cellfabrikerna försöker forskare öka effektiviteten i cellfabrikproduktionen. I en ny studie visar systembiologiforskare vid Chalmers en ny datamodell för jästceller som lägger fokus på ett av de begränsande stegen inom proteinproduktion i cellfabriker – den sekretoriska vägen.
Den sekretoriska vägen (secretory pathway) i eukaryota celler består av flera olika organeller som styr transport och olika sorters modifieringar av proteiner. Denna mycket komplexa väg är, och har varit historiskt, ett viktigt mål för att förbättra uttrycket av så kallade rekombinanta proteiner (proteiner som produceras från modifierat DNA) i strävan att förbättra effektiviteten hos cellfabrikerna. På grund av att den sekretoriska vägen är naturligt komplex har det hittills saknat verktyg för att kunna optimera cellen till att producera vilket rekombinant protein som helst.
Avancerad modell kan ge bättre produktion
I den nyligen publicerade studien presenterar forskarna en ny avancerad modell för bagerijäst, Saccharomyces cerevisiae, kallad pcSecYeast (genome-scale protein secretory model).
– Vi strävade efter att systematiskt förstå proteinutsöndringen i jäst. Detta för att kunna designa bättre jästcellsfabriker för farmaceutisk och industriell produktion av rekombinanta proteiner som insulin och α-amylas, ett enzym som omvandlar stärkelse till socker, säger Feiran Li, postdok i systembiologi vid Chalmers och förstaförfattare till studien.
Modellen pekar ut mål
Modellen är den första komplexa och avancerade proteinsekretoriska modellen som innehåller detaljerade processerna för hur proteinerna bildas och modifieras i cellen. Modellen möjliggör flera typer av simuleringar, inklusive konkurrens mellan rekombinanta proteiner och naturliga sekretoriska proteiner.
– Vi kunde förutse de bästa målen för modifiering för åtta olika rekombinanta proteiner producerade i jäst och kunde validera detta resultat experimentellt för α-amylas. För första gången kan en modell systematiskt peka ut mål för modifiering i både den metaboliska och proteinsekretoriska delen, säger Feiran Li.
Effektiv design av cellfabriker
Genom att identifiera mål för genetisk modifiering, till exempel genamplifieringsprocessen, där man selektivt ökar antalet kopior av en gen som kodar för ett visst protein, kan modellen användas för effektiv design av cellfabriksstammar.
–Modellen underlättar också i simuleringar av olika hypoteser för proteinuttryck och utsöndring, vilket kommer att öka den grundläggande förståelsen av den komplexa sekretoriska vägen, säger Feiran Li och fortsätter:
– Vi testade också flera hypoteser och såg att kapaciteten för den så den så kallade retrotranslokationen förhindrade nedbrytning av felveckade proteiner. Detta kan leda till ackumulering av de proteiner som är relaterade till mänskliga sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons sjukdom.
Läs den vetenskapliga artikeln: Improving recombinant protein production by yeast through genome-scale modeling using proteome constraints