Биотехнологии тутового шелкопряда как базис биоиндустриальной платформы. Улучшения на этапе восходящего процесса (USP)

Молекулярная инженерия – это метод инженерии «снизу вверх» для создания функциональных материалов и устройств с использованием молекул и атомов в качестве строительных блоков. В 2000 г. Япония стала первой страной в мире, которая генетически модифицировала тутового шелкопряда (Bombyx mori, далее B. mori). Последующее за этим развитие исследований в области разработки новых материалов расширили возможности использования продукции шелководства, характеризуя эту ситуацию как «революция в шелководстве». В Российской Федерации молекулярная инженерия в науках о жизни направлена на решение задач по разработке технологических платформ мирового уровня с целью создания инструментов для получения новых молекул (биополимеров, белков, ферментов), биопродуктов, клеток и организмов. Изучены основные подходы «снизу вверх», применяемые на этапе восходящего процесса (USP) в шелководстве для улучшения производственно-экономических показателей и качественных характеристик сырья. Разнообразие способов улучшения включает: использование искусственной питательной среды; молекулярную инженерию, основанную на методах транзиентной экспрессии или стабильной трансформации зародышевой линии; генетические методы селекции; управление размножением и др. Преимущества тутового шелкопряда (B. mori): низкая стоимость разведения, значительно более высокий выход продукции по сравнению с другими системами экспрессии белка – способствуют его использованию в качестве эффективного продуцента рекомбинантных белков, антимикробных пептидов и биологически активных веществ. Биотехнологии этапа USP позволяют получать новые виды сырья для последующего преобразования в нисходящем процессе (DSP) для получения широкого спектра продуктов, способствующих улучшению качества жизни людей. Комплекс биотехнологических решений составляет современный базис биоиндустриальной платформы тутового шелкопряда.

1. Xiang H., Liu X., Li M., Zhu Y. N., Wang, L., Cui Y., Zhan S. The evolutionary road from wild moth to domestic silkworm // Nature ecology & evolution. 2018. Vol. 2. N 8. С. 1268–1279. DOI: 10.1038/s41559-018-0593-4.

2. Ma S.Y., Xia Q.Y. Genetic breeding of silkworms: from traditional hybridization to molecular design // Yi Chuan = Hereditas. 2017. Vol. 39. N 11. Р. 1025–1032. DOI: 10.16288/j.yczz.17-103.

3. Huang W., Ebrahimi D., Dinjaski N., Tarakanova A., Buehler M.J., Wong J.Y., Kaplan D.L. Synergistic integration of experimental and simulation approaches for the de novo design of silk-based materials // Accounts of chemical research. 2017. Vol. 50. N 4. Р. 866–876. DOI: 10.1021/acs.accounts.6b00616.

4. Yagi H., Yanaka S., Yogo R., Ikeda A., Onitsuka M., Yamazaki T., Kato K. Silkworm pupae function as efficient producers of recombinant glycoproteins with stable-isotope labeling //Bio-molecules. 2020. Vol. 10. N 11. Р. 1482. DOI: 10.3390/biom10111482.

5. Wei J., Fan Y., Jing X., Fei Z., Li C., Pan G., Zhou Z. Establishment of a Novel Baculovirus– Silkworm Expression System // motifs on the efficiency of translation of mRNA derived from exogenous genes in the transgenic silkworm, Bombyx mori // SpringerPlus. 2014. Vol. 3. N 1. Р. 1–12. DOI: 10.1186/2193-1801-3-136.

6. Xu H., O’Brochta D. A. Advanced technologies for genetically manipulating the silkworm Bombyx mori, a model Lepidopteran insect // Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 2015. Vol. 282. N 1810. Р. 20150487. DOI: 10.1098/rspb.2015.0487.

7. Wang Y., Wang F., Wang R., Zhao P., Xia Q. 2A self-cleaving peptide-based multi-gene expression system in the silkworm Bombyx mori // Scientific reports. 2015. Vol. 5. N 1. Р. 16273. DOI: 10.1038/srep16273.

8. Li Z., You L., Zhang Q., Yu Y., Tan A. A targeted in-fusion expression system for recombinant protein production in Bombyx mori // Frontiers in Genetics. 2022. Vol. 12. Р. 816075. DOI: 10.3389/fgene.2021.816075.

9. Yamada N., Mise Y., Yonemura N., Sakai H., Uchino K., Sezutsu H., Iizuka, T. Development of an Injection Method for the Genetic Engineering of Diapause Silkworm Egg Using Dimethyl Sulfoxide // Japan Agricultural Research Quarterly: JARQ. 2023. Vol. 57. N 1. Р. 63–72. DOI: 10.6090/jarq.57.63.

10. Ларькина Е.А., Акилов У.Х., Туйчиев Ж.Ш., Асронов Э.К., Солиева М.Б., Абдикаюмова Н.К. Использование способов управления размножением тутового шелкопряда (Bombyx mori L.) в практическом шелководстве // Аграрная наука. 2022. Т. 1. № 7–8. С. 114–120. DOI: 10.32634/0869-8155-2022-361-7-8-114-120.

11. Yamada N., Mise Y., Yonemura N., Uchino K., Zabelina V., Sezutsu H., Tamura T. Abolition of egg diapause by ablation of suboesophageal ganglion in parental females is compatible with genetic engineering methods //Journal of Insect Physiology. 2022. Vol. 142. Р. 104438. DOI: 10.1016/j.jinsphys.2022.104438.

12. Long D., Cheng X., Hao Z., Sun J., Umuhoza D., Liu Y., Zhao A. Genetic hybridization of highly active exogenous functional proteins into silk-based materials using “light-clothing” strategy // Matter. 2021. Vol. 4. N 6. Р. 2039–2058. DOI: 10.1016/j.matt.2021.03.020.

13. Li G., Xia X., Long Y., Li, J., Wu J., Zhu Y. Research progresses and applications of antimicro bial peptides // Chinese Journal of Animal Nutrition. 2014. Vol. 26. N 1. Р. 17–25.

14. Mastore M., Quadroni S., Caramella S., Brivio M.F. The silkworm as a source of natural antimicrobial preparations: efficacy on various bacterial strains // Antibiotics. 2021. Vol. 10. N 11. Р. 1339. DOI: 10.3390/antibiotics10111339.

15. Rahul K., Moamongba K.S., Rabha M., Sivaprasad V. Identification and characterization of bacteria causing flacherie in mulberry silkworm, Bombyx mori L // Journal of Crop and Weed. 2019. Vol. 15. N 3. Р. 178–181. DOI: 10.22271/09746315.2019.v15.i3.1257.

16. Makwana P., Rahul K., Ito K., Subhadra B. Diversity of Antimicrobial Peptides in Silkworm // Life. 2023. Vol. 13. N 5. Р. 1161. DOI: 10.3390/ life13051161.

17. Teramoto H., Amano Y., Iraha F., Kojima K., Ito T., Sakamoto K. Genetic code expansion of the silkworm Bombyx mori to functionalize silk fiber // ACS Synthetic Biology. 2018. Vol. 7. N 3. Р. 801–806. DOI: 10.1021/acssynbio.7b00437.

18. Nisal A., Trivedy K., Mohammad H., Panneri S., Sen Gupta S., Lele A., Laxman R.S. Uptake of azo dyes into silk glands for production of colored silk cocoons using a green feeding approach // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2014. Vol. 2. N 2. Р. 312–317. DOI: 10.1021/sc400355k.

19. Xu H., Yi W., Li D., Zhang P., Yoo S., Bai L., Hou X. Obtaining high mechanical performance silk fibers by feeding purified carbon nanotube/ lignosulfonate composite to silkworms // RSC advances. 2019. Vol. 9. N 7. Р. 3558–3569. DOI: 10.1039/C8RA09934K.

20. Leem J.W., Fraser M.J., Kim Y.L. Transgenic and diet-enhanced silk production for reinforced biomaterials: a metamaterial perspective // Annual Review of Biomedical Engineering. 2020. Vol. 22. Р. 79–102. DOI: 10.1146/annurev-bioeng-082719-032747.

21. Tian Y., Iga M., Tsuboi H., Teramoto, H.A. Novel Transgenic Silkworm Line for Mass Production of Azido-Incorporated Silk Fiber // The Journal of Silk Science and Technology of Japan. 2022. Vol. 30. Р. 75–85. DOI: 10.11417/silk.30.75.