Оптимизация свойств бактериальных штаммов-продуцентов путём экспозиции в условиях орбитального космического полёта и последующей наземной селекции (пРОДУЦЕНТ)
Постановщики:
, ст. н.сотруд., д. м.н. ;
, к. б.н., контур»
Экспедиции: МКС-44
Область исследования: Космическая биотехнология, бактериофаги.
Анализ литературных данных и собственных космических экспериментов (КЭ) на ОС «МИР» и РС МКС с культурами бактерий показал, что именно воздействие уникальных условий космического полёта (прежде всего, микрогравитации) обеспечивает накопление в бактериальной популяции клеток продуцента с улучшенными характеристиками
Применение методов наземной селекции позволяет выделять из популяции, подвергнутой экспозиции в КЭ, варианты штаммов с улучшенными ростовыми характеристиками и повышенной продуктивностью.
Это означает, что экспозицию в условиях орбитального полета с последующей селекцией на Земле можно использовать в качестве метода получения линий штаммов-продуцентов с повышенным числом копий плазмид, контролирующих синтез целевых продуктов. Это приведет к улучшению, по крайней мере, двух характеристик штаммов-продуктивности и генетической стабильности. Так, в трёх последовательных космических экспериментах продуктивность штамма–продуцента Cu, Zn-супероксиддисмутазы человека (СОД) была увеличена почти на порядок.
В результате работы был получен генетически стабильный штамм-суперпродуцент СОД с уровнем продуктивности более 1,0 г СОД с 1 л культуры.
На микроорганизмы в первую очередь действуют следующие факторы:
- отсутствие всех видов конвекции, обусловленных гравитацией (термоконвекции, концентрационной и плотностной конвекции);
- отсутствие седиментации клеток.
При этом не учитываются:
- электромагнитные эффекты, обусловленные движением клетки в магнитном поле Земли и обусловленные этим движением токи в среде и внутри клетки;
- изменения поверхностного заряда клетки.
Поскольку и сама клетка, и внутриклеточные структуры электрически заряжены, роль эффектов, обусловленных магнитным полем, может быть не менее значительной, чем роль микрогравитации. Предварительные результаты, полученные в эксперименте «Биомагнистат» на ОС «Мир» показали, что экранирование геомагнитного поля улучшает ростовые характеристики культур рекомбинантных штаммов, подвергнутых экспозиции в условиях действия факторов космического полета (ФКП), без снижения сегрегационной стабильности плазмид.
Необходимость проведения исследований в реальных условиях космического полета определяется целью и задачами эксперимента и диктуется невозможностью имитировать на Земле совокупность действия ФКП на свойства культур штаммов бактерий-продуцентов рекомбинантных белков с полезными свойствами.
Краткое описание эксперимента
Начиная с 2015 г., на МКС запланирована реализация КЭ «Продуцент». Основной целью КЭ является получение штаммов-продуцентов биологически активных веществ (БАВ) с оптимальными свойствами по результатам экспозиции в условиях космического полета: повышенной продуктивностью, генетической стабильностью, улучшенными ростовыми характеристиками.
Суть эксперимента ‑ экспозиция бактериальных штаммов-продуцентов рекомбинантных БАВ в условиях действия ФКП и при экранировании магнитного поля Земли, с последующей наземной селекцией.
В КЭ будут использоваться рекомбинантные штаммы-продуценты белков, предназначенных для создания новых лекарственных препаратов.
Так, в настоящее время на различных стадиях разработки находятся штаммы-продуценты стафилококкового белка А, специфических эндопротеаз, эритропоэтина, интерлейкина-2 человека и др.
Эксперимент выполняется в два этапа.
На первом этапе используется пенал укладки «Биоэкология». Пенал представляет собой жесткий контейнер, выполненный из алюминиевого сплава, размещенный в чехле оранжевого цвета. В контейнере размещаются восемь туб из полипропилена с пробирками для образцов, в центре между тубами ‑ регистратор температуры в пакете типа «зиплок».
На втором этапе должны будут использоваться научная аппаратура (НА) «Фактор» и НА «Биомагнистат-Ф» (подлежат разработке).
НА «Фактор» должна иметь следующий состав:
- укладка «Чашки», состоящая из трех цилиндрических контейнеров, механически соединённых между собой и содержащих чашки для биообъектов;
- укладка «Пробирки», состоящая из двух цилиндрических контейнеров, механически соединённых между собой и содержащих чашки для биообъектов.
НА «Биомагнистат-М» представляет собой магнитоизолирующий контейнер с биообразцами, предназначенный для исследования влияния электромагнитных полей на ростовые характеристики, сегрегационную стабильность и продуктивность рекомбинантных штаммов-продуцентов БАВ.
На Земле после предполетной подготовки аппаратуры (регламентные работы, стерилизация, дезинфекция) экспериментальные емкости (пробирки и чашки) заправляются бактериальной культурой на питательной среде и лиофильновысушенными культурами.
Для проведения КЭ на первом этапе на борт доставляется пенал укладки «Биоэкология», заправленный на Земле образцами культур рекомбинантных штаммов в герметично закрытых микропробирках. Образцы из пенала подвергаются экспозиции по заданной циклограмме. Аналогичные операции осуществляется параллельно на Земле.
В ходе эксперимента космонавт обеспечивает размещение образцов на хранение в термостате ТБУ-В при температуре плюс 4 ± 2 °С и перенос образцов на место проведения сеанса. Образцы подвергаются экспозиции согласно циклограмме, затем переносятся в бортовой холодильник до окончания экспедиции.
В ходе выполнения КЭ регистрируются время экспозиции образцов и температура окружающей среды.
На Земле проводится исследование возвращенных с орбиты образцов.
Для сеанса КЭ «Продуцент» в контур» сконструирован и проконтролирован по продуктивности штамм Escherichia coli BL21/DE3 pMZEhEGF ‑ продуцент эпидермального фактора роста человека (ЭФР). Выделена гомогенная по продуктивности чистая линия штамма.
ЭФР является уникальным ростовым фактором, обеспечивающим монослойный рост кожи, то есть заживление ран без образования рубцов. Это обеспечило его широкое применение при лечении ожогов, для заживления послеоперационных швов, при лечении трофических язв, пролежней, обморожений, для профилактики и лечения радиационных дерматитов, а также в косметической хирургии (в виде мазевых или гелевых форм для местного применения).
Из полученных культур готовили образцы для экспозиции в предполётном эксперименте. Подготовленные образцы инкубировали по схеме, имитирующей температурно-временную циклограмму КЭ.
По окончании инкубации из каждого образца отбирали пробы культуры для анализа числа жизнеспособных клеток, анализа содержания ЭФР в образцах культуры, выборочного контроля уровня биосинтеза ЭФР.
Использование результатов эксперимента на Земле
Основные ожидаемые результаты КЭ и их предполагаемое использование:
- варианты (линии) штаммов-продуцентов БАВ с улучшенными свойствами ‑ повышенной продуктивностью, генетической стабильностью, ростовыми характеристиками;
- фундаментальные данные о роли геомагнитного поля в эффекте влияния ФКП на генетические и физиологические свойства культур рекомбинантных штаммов микроорганизмов, а также данные об оптимальных условиях получения исходного материала для наземной селекции вариантов штаммов-продуцентов БАВ с повышенной продуктивностью и генетической стабильностью.
Результаты КЭ найдут практическое применение при производстве рекомбинантных препаратов в интересах медицины и ветеринарии и во вновь создаваемых технологических процессах.
Использование результатов эксперимента для освоения космоса
Фундаментальные данные о роли ФКП и геомагнитного поля в эффекте влияния ФКП на генетические и физиологические свойства культур рекомбинантных штаммов микроорганизмов, а также данные об оптимальных условиях получения исходного материала для селекции вариантов штаммов-продуцентов БАВ с повышенной продуктивностью и генетической стабильностью будут необходимы при создании технологических линий получения биотехнологической продукции в условиях космического полета.
Будет дана оценка возможности получения БАВ, адаптированных для этих условий, и получения широкого спектра препаратов, оказывающих позитивное влияние именно в условиях космического полета.
