Ringvormig mRNA laat bacteriën tot zes keer meer eiwit maken

Bacteriën worden op grote schaal ingezet als levende fabriekjes voor onder meer medicijnen, aminozuren en biobrandstoffen. Hun productiviteit hangt af van hoeveel eiwit de cellen kunnen aanmaken. Een onderzoeksteam van de Seoul National University heeft nu een methode ontwikkeld die die productie flink opschroeft: door de blauwdruk voor eiwitten, het mRNA, in bacteriën om te vormen tot een ring. De techniek heet CRESEnT en verhoogde de eiwitproductie in laboratoriumtests tot bijna zes keer.

Waarom mRNA zo snel verdwijnt

Het probleem zit in de aard van bacterieel mRNA. Anders dan bij mensen en andere complexe organismen mist dit mRNA beschermende structuren aan de uiteinden. Daardoor wordt het binnen enkele minuten afgebroken door enzymen in de cel die RNA opruimen. In de natuur is dat handig: bacteriën kunnen zo snel schakelen tussen verschillende omstandigheden. Maar in een bioreactor, waar je juist continu een bepaalde stof wilt produceren, is die snelle afbraak een nadeel. Hoe langer het mRNA intact blijft, hoe meer eiwit een cel kan maken voordat de blauwdruk verdwijnt.

Van rechte draad naar gesloten ring

De onderzoekers losten dit op door de vorm van het mRNA te veranderen in plaats van de hoeveelheid te verhogen. Lineair mRNA lijkt op een draad met twee losse uiteinden, precies de plekken waar afbraakenzymen aangrijpen. Door die uiteinden aan elkaar te knopen tot een ring, is er geen los uiteinde meer om aan te vallen. Het team gebruikte hiervoor natuurlijke RNA-bouwstenen die zichzelf kunnen knippen en opnieuw aan elkaar plakken, een proces dat lijkt op RNA-splicing. Door delen van zo'n zelfsplitsend RNA-segment in omgekeerde volgorde te plaatsen, vouwt het mRNA zichzelf binnen de cel automatisch tot een ring, zonder dat er extra enzymen aan toegevoegd hoeven te worden.

De wetenschappers ontdekten daarbij twee ontwerpregels die de efficiëntie flink verbeterden: de lengte van de onvertaalde flankerende stukken RNA moet precies goed zijn, en korte 'ritssluiting'-sequenties helpen de twee helften van het RNA-segment beter aan elkaar te laten hechten. Met deze optimalisaties nam de hoeveelheid mRNA in de cel bijna vier keer toe, en steeg de eiwitproductie per mRNA-molecuul met de helft.

Breed inzetbaar in de industrie

CRESEnT werkte niet alleen in de veelgebruikte labbacterie Escherichia coli, maar ook in Bacillus subtilis en Corynebacterium glutamicum, twee soorten die veel worden gebruikt in de industriële fermentatie van aminozuren en chemicaliën. De techniek bleef ook werken in combinatie met verschillende sterktes van bestaande genregelaars, wat betekent dat bedrijven hem kunnen combineren met technieken die ze al gebruiken.

In praktijktests verhoogde de methode de productie van het pigment flaviolin met bijna een factor drie, en zorgde ze voor 50 tot 60 procent meer opbrengst van itaconzuur (grondstof voor bioplastics), lycopeen (een antioxidant) en violaceïne (een stof met antibacteriële eigenschappen). Volgens onderzoeksleider Sang Woo Seo opent de aanpak een nieuw hoofdstuk in synthetische biologie: niet alleen sturen wanneer en hoeveel een gen wordt afgelezen, maar ook de vorm van het RNA zelf aanpassen. Het onderzoek verscheen in het tijdschrift Nucleic Acids Research.