Биоинженерные дрожжи производят бета-каротин в кишечнике мышей

Ученые из США создали биоинженерный штамм дрожжей Saccharomyces boulardii, способный производить бета-каротин в кишечнике мышей.

Дрожжи Saccharomyces boulardii используются в медицине в качестве пробиотика. S. boulardii — близкий родственник пекарских дрожжей S. cerevisae, а потому к ним применимы одни и те же генно-инженерные подходы. Генетическая инженерия пробиотиков — перспективное направление, так как микроорганизмы могут продуцировать полезные молекулы прямо в кишечнике хозяина. Например, в недавней работе была показана эффективность биоинженерного штамма S. boulardii, производящего антитела, на мышиной модели клостридиальной инфекции.

В новой работе ученые оптимизировали методы генетической инженерии S. boulardii, нацеленные на внедрение в клетки путей биосинтеза малых молекул и изначально разработанные для S. cerevisae. В качестве желаемого продукта были выбраны бета-каротин и виолацеин. Бета-каротин — это предшественник витамина А, а виолацеин — природный антибиотик, применяющийся в терапии рака. Однако для исследования первичное значение имел не терапевтический потенциал, а возможность оценить продукцию молекул дрожжами. Бета-каротин имеет ярко-оранжевый цвет, а виолацеин — фиолетовый, что позволяет измерить концентрацию продукта прямыми колориметрическими методами (визуально по цвету колоний на чашке Петри и инструментально).

На первом этапе ученые провели комплексный анализ библиотеки синтетических генетических элементов (промоторов, маркеров, ориджинов репликации и терминаторов), созданной для S. cerevisae, в S. boulardii. Комбинации элементов вместе с кодирующими последовательностями генов — компонентов биосинтетических путей доставили в клетки дрожжей с помощью системы CRISPR-Cas12a. Именно эта система оказалась наиболее эффективной для S. boulardii. Тринадцать из 28 полученных штаммов, синтезирующих бета-каротин, и восемь из 24 штаммов, синтезирующих виолацеин, демонстрировали стабильную продукцию молекул. Для дальнейших экспериментов на мышах ученые выбрали один из штаммов с наивысшей продукцией бета-каротина.

В кишечнике конвенциональных мышей дрожжи, введенные внутрижелудочно, детектировались в течение всего 48 часов, так как не выдерживали конкуренции с микробиотой. Поэтому для изучения работы биоинженерного штамма в кишечнике использовали гнотобионтных мышей. После колонизации кишечника дрожжами уровень бета-каротина в фекалиях мышей значительно возрастал по сравнению с базовым уровнем, обусловленным диетой. Это говорит о том, что модифицированные S. boulardii успешно производят бета-каротин в кишечнике.

В настоящее время команда исследует способность биоинженерного штамма S. boulardii высвобождать бета-каротин в окружающую среду с помощью лизиса клеток или системы экспорта молекул.