Бактерии превратили в программируемые медицинские зонды

Бактерии (белые), живущие на покрытых микроворсинками клетках кишечника млекопитающих (розовые), активируются с помощью специально вводимых химических сигналов (зелёные точки) и начинают производить светящиеся зелёным белки
(иллюстрация Janet Iwasa).

Читайте нас в Telegram

Испокон веков люди стремились улучшить природные качества растений и животных путём искусственного отбора, а затем при помощи целенаправленной селекции. Генная инженерия не только значительно ускорила эту работу, но и позволила наделять организмы совершенно новыми, немыслимыми до этого свойствами. Достаточно вспомнить создание морозоустойчивых растений, которым добавляли ген, взятый у северной трески. Он кодирует белок, который предотвращает образование в клетках кристаллов льда, повреждающих мембрану.

Теперь развитие технологий позволяет всерьёз говорить о создании настоящих биологических киборгов, запрограммированных на выполнение определённых задач. Но пока речь не идёт о машинах-убийцах из нашумевшей серии голливудских фильмов. Пока учёные говорят лишь о превращении полезных бактерий, обитающих в кишечнике человека, в медицинские зонды, способные находить и лечить такие заболевания, как рак толстой кишки и нарушение иммунитета.

Специалисты Массачусетского технологического института нашли способ добавить в микроорганизмы различные датчики, модули памяти и каналы связи, превращающие клетки в мобильные лаборатории. При этом учёным не понадобились миниатюрные паяльники и наноразмерные устройства. Все элементы были закодированы в генах.

Первоначально работы велись с кишечной палочкой, которая является распространённым модельным объектом для генетических исследований. Но её содержание в кишечнике человека невелико, поэтому выбор пал на другого представителя микрофлоры — Bacteroides thetaiotaomicron из рода бактероиды.

Команда под руководством Тимоти Лу (Timothy Lu) и Кристофера Фойгта (Christopher Voigt) добавила в бактерию новые молекулярные системы, которые научили организмы реагировать на определённые изменения окружающей среды и запоминать эту информацию путём включения или выключения отдельных генов.

Например, генно-модифицированные биосенсоры могут обнаруживать кровотечение или воспаление в кишечнике, и записывать эту информацию, чтобы её можно было прочитать после того, как бактерия покинет организм человека.

В качестве своеобразного жёсткого диска в клетках использовалась биологическая программа, которая ранее была разработана той же группой учёных. После регистрации сигнала, на который настроен ген-датчик, например, при контакте с определённым химическим веществом, активизируются специально добавленные в клетку ферменты рекомбиназы. Они создают новый небольшой фрагмент ДНК и встраивают его в заранее заданном месте генетического кода бактерии.

Впоследствии эти правки можно прочитать в ходе расшифровки генома микроорганизма. Кроме того, если внести изменения в известный ген, он перестаёт работать, и об активации сенсора можно судить по исчезновению у микроорганизмов отдельных функций.

Исследователи продемонстрировали работу своих биологических агентов, поселив их в кишечнике лабораторных мышей. Когда животных кормили пищей, содержащей определённые ингредиенты, бактерии запоминали это и затем могли "рассказать" о составе рациона.

Хотя до клинических испытаний подобных систем на людях ещё далеко, работа американских учёных представляет широкое поле для новых исследований. Команда планирует в скором времени снабдить своими инструментами и другие бактерии рода бактероиды. Это связано с тем, что состав микрофлоры кишечника отличается у разных людей и в отдельных случаях там могут преобладать другие виды.

Кроме того, авторы статьи, опубликованной в журнале Cell Systems, работают над созданием более сложных молекулярных схем, которые повысят точность диагностики и позволят не только находить, но и лечить заболевания, запуская механизм производства специфических лекарственных веществ.

"Например, мы хотим сделать модифицированные бактерии более чувствительными и точными при диагностике заболеваний,— говорит Лу в пресс-релизе института. — Они должны будут обнаружить несколько биомаркеров и вызвать ответную реакцию, только когда все они присутствуют". 

Сегодня