Платформа экспрессии дрожжей — это штамм дрожжей, используемый для производства большого количества белков , сахаров или других соединений для исследовательских или промышленных целей. Хотя дрожжи часто требуют больше ресурсов для поддержания, чем бактерии , некоторые продукты могут производиться только эукариотическими клетками , такими как дрожжи, что требует использования платформы экспрессии дрожжей. Дрожжи различаются по производительности и по их способности секретировать , обрабатывать и модифицировать белки. Таким образом, разные типы дрожжей (т. е. разные платформы экспрессии) лучше подходят для разных исследовательских и промышленных целей.
С момента появления генной инженерии был разработан ряд микроорганизмов для производства биологических продуктов. Эти продукты используются в медицине и промышленности для создания фармацевтических препаратов, таких как вакцины против гепатита В или инсулин . Обычные платформы для разработки лекарств и других продуктов включают бактерию E. coli , а также несколько дрожжей и клеток млекопитающих (включая, в частности, клетки яичников китайского хомячка ). В целом микроорганизм, используемый в качестве платформы для экспрессии, должен соответствовать нескольким критериям: он должен иметь возможность быстро расти в больших контейнерах, производить белки эффективным способом (т. е. с минимальными затратами ресурсов), быть безопасным и, в случае фармацевтических препаратов, он должен производить и модифицировать продукты, чтобы они были максимально готовы к употреблению человеком.
Дрожжи являются обычными хозяевами для производства белков из рекомбинантной ДНК . Они предлагают относительно легкую генетическую манипуляцию и быстрый рост до высокой плотности клеток на недорогих средах. Как эукариоты , они способны выполнять модификации белков, такие как гликозилирование , которые распространены в эукариотических клетках, но относительно редки в бактериях. Благодаря этому дрожжи могут производить сложные белки, которые идентичны или очень похожи на нативные продукты из растений или млекопитающих. Первая платформа экспрессии дрожжей была основана на пекарских дрожжах Saccharomyces cerevisiae . Однако с тех пор были изучены и широко используются различные платформы экспрессии дрожжей для различных приложений на основе их различных характеристик и возможностей. Например, некоторые из них растут на широком диапазоне источников углерода и не ограничиваются глюкозой , как в случае с пекарскими дрожжами. Некоторые из них также применяются в генной инженерии и для производства чужеродных белков.
Arxula adeninivorans (также называемый Blastobotrys adeninivorans ) — диморфные дрожжи, то есть они растут как почкующиеся дрожжи до температуры 42 °C, но как нитчатая форма при более высоких температурах. A. adeninivorans имеет необычные биохимические характеристики. Они могут расти на широком спектре субстратов и могут усваивать нитрат. Были разработаны штаммы A. adeninivorans , которые могут производить натуральный пластик, и были вовлечены в разработку биосенсора для эстрогенов в образцах окружающей среды.
Candida boidinii — дрожжи, известные своей способностью расти на метаноле (так называемый метилотрофизм). Как и другие метилотрофные виды, такие как Hansenula polymorpha и Pichia pastoris , они используются в качестве платформы для производства чужеродных белков.Сообщалось о выходе секретируемого чужеродного белка в диапазоне нескольких граммов . Вычислительный метод IPRO недавно предсказал мутации, которые экспериментально переключили специфичность кофактора ксилозоредуктазы Candida boidinii с НАДФН на НАДН. [1]
Ogataea polymorpha (синонимы Hansenula polymorpha или Pichia angusta ) — еще один метилотрофный дрожжевой грибок (см. Candida boidinii ). Он может расти на широком спектре других субстратов; он термоустойчив и может усваивать нитрат (см. также Kluyveromyces lactis ). Он применялся для производства вакцин против гепатита B, инсулина и интерферона альфа-2a для лечения гепатита C, а также для ряда технических ферментов.
Kluyveromyces lactis — это дрожжи, которые регулярно используются для производства кефира . Они могут расти на нескольких видах сахара, в первую очередь на лактозе , которая присутствует в молоке и сыворотке. Они успешно применялись, среди прочего, для производства химозина (фермента, который обычно присутствует в желудке телят) для производства сыра. Производство осуществляется в ферментерах в масштабе 40 000 л.
Pichia pastoris — это метилотрофные дрожжи (см. Candida boidinii и Hansenula polymorpha ). Они обеспечивают эффективную платформу для производства чужеродных белков. Элементы платформы доступны в виде набора, и они используются в академических кругах по всему миру для производства белков. Были созданы штаммы, которые могут производить сложный человеческий N-гликан (дрожжевые гликаны похожи, но не идентичны тем, которые встречаются у людей).
Saccharomyces cerevisiae — традиционные пекарские дрожжи, широко используемые в пивоварении и выпечке. Часто для этого вида используют собирательный термин «дрожжи». В качестве платформы для экспрессии он успешно применялся для производства технических ферментов и фармацевтических препаратов, таких как инсулин и вакцины против гепатита B.
Yarrowia lipolytica — это диморфные дрожжи (см. Arxula adeninivorans ), которые могут расти на широком спектре субстратов. Таким образом, они имеют высокий потенциал для промышленного применения, но пока нет коммерчески доступных рекомбинантных продуктов.
Различные платформы экспрессии дрожжей различаются по нескольким характеристикам, включая их производительность и их способность секретировать, обрабатывать и модифицировать белки в конкретных примерах. Однако использование всех платформ экспрессии имеет некоторые основные сходства.
Для получения желаемого продукта подходящие штаммы дрожжей трансформируются вектором , содержащим все необходимые генетические элементы для получения интересующего биологического продукта. Векторы также должны содержать маркер селекции , который требуется для отбора дрожжей, которые успешно приняли вектор, из тех, которые этого не сделали. Векторы также содержат определенные элементы ДНК, позволяющие дрожжам включать чужеродную ДНК в хромосому дрожжей и реплицировать ее. Самое главное, векторы содержат сегмент, отвечающий за производство желаемого соединения, называемый экспрессионной кассетой . Кассета содержит последовательность регуляторных элементов, которые контролируют, сколько и при каких обстоятельствах в конечном итоге производится определенный продукт. За ним следует ген самого биологического продукта. Экспрессионная кассета заканчивается терминаторной последовательностью, которая останавливает транскрипцию экспрессированного гена.