Биоинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали метод значительного продления жизни генных цепей, используемых для инструктирования микробов делать такие вещи, как производство и доставка лекарств, расщепление химических веществ и использование в качестве датчиков окружающей среды.
Большинство цепей, которые синтетические биологи вставляют в микробы, ломаются или полностью исчезают из микробов через определенный период времени - обычно от нескольких дней до недель - из-за различных мутаций. Но в выпуске журнала Science от 6 сентября 2019 года исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего продемонстрировали, что они могут поддерживать работу генетических цепей гораздо дольше.
Ключом к этому подходу является способность исследователей полностью заменить одну субпопуляцию, несущую генетический контур, другой, чтобы сбросить часы мутаций, сохраняя при этом работу контура.
«Мы показали, что можем стабилизировать генетические цепи, не вмешиваясь в борьбу с эволюцией», - сказал профессор биоинженерии и биологии Калифорнийского университета в Сан-Диего Джефф Хасти, автор исследования. «Как только мы перестали бороться с эволюцией на уровне отдельных клеток, мы показали, что можем поддерживать работу метаболически затратной генетической цепи столько, сколько захотим."
Схема, использованная исследователями Калифорнийского университета в Сан-Диего в научном исследовании, активно используется этой командой и другими для разработки новых видов лечения рака.
"Наша цель, как синтетических биологов, состоит в том, чтобы разработать генные цепи, которые позволят нам использовать микроорганизмы для широкого спектра применений. Однако сегодняшняя реальность такова, что генные цепи, которые мы вставляем в микробы, склонны к сбою из-за эволюции. Будь то дни, недели или месяцы, даже с лучшими подходами к стабилизации схемы, это всего лишь вопрос времени. И как только вы теряете функциональность в своей генетической схеме, вам ничего не остается, как начать все сначала», - сказал Майкл. Ляо, аспирант биоинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего и первый автор научной статьи. «Наша работа показывает, что есть еще один путь вперед, не только в теории, но и на практике. Мы показали, что можно сдерживать мутации, разрушающие цепи. Мы нашли способ продолжать сбрасывать часы мутаций."
Если метод команды может быть оптимизирован для живых систем, последствия могут быть значительными для многих областей, включая терапию рака, биоремедиацию и биопроизводство полезных белков и химических компонентов.
Камень, ножницы, бумага
Чтобы фактически создать «кнопку сброса» для часов мутаций, исследователи сосредоточились на динамике между штаммами микробов, а не на попытках сдерживать давление отбора на уровне отдельных клеток. Исследователи продемонстрировали свою инженерную систему на уровне сообщества, используя три субпопуляции E. coli с динамикой мощности «камень-ножницы-бумага». Это означает, что штамм «камень» может убить штамм «ножницы», но будет убит штаммом «бумага».
Большинство опубликованных работ сосредоточено на стратегиях стабилизации, которые действуют на уровне отдельных клеток. В то время как некоторых из этих подходов может быть достаточно в данном терапевтическом контексте, эволюция диктует, что подходы, основанные на одиночных клетках, естественным образом перестанут работать в какой-то момент. Однако, поскольку стабилизация по принципу «камень-ножницы-бумага» (RPS) действует на уровне сообщества, ее также можно сочетать с любой из систем, действующих на уровне отдельной клетки, чтобы значительно увеличить продолжительность их жизни..
Изготовление лекарств от рака и доставка их к опухолям
В 2016 году в журнале Nature исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего во главе с Хасти вместе с коллегами из Массачусетского технологического института описали «схему синхронизированного лизиса», которую можно использовать для доставки противораковых препаратов, вырабатываемых бактериями, которые накапливаются в организме и вокруг опухолей. Это побудило группу Калифорнийского университета в Сан-Диего сосредоточиться на платформе синхронизированного лизиса для экспериментов, опубликованных в журнале Science.
Эти скоординированные взрывы происходят только после достижения заданной плотности клеток благодаря функции «чувства кворума», также встроенной в генетическую схему. После взрыва примерно 10% популяции бактерий, которые не взорвались, снова начинают расти. Когда плотность населения снова достигает заданной плотности (больше «чувства кворума»), запускается еще один взрыв доставки наркотиков, и процесс, закодированный синхронизированной цепью лизиса исследователей, перезапускается.
Проблема, однако, заключается в том, что эта генетическая цепь, убивающая рак, и другие генетические цепи, созданные синтетическими биологами, в конце концов перестают работать в бактериях. Виновник. Мутации, обусловленные процессом эволюции.
«Тот факт, что некоторые микробы естественным образом растут в опухолях, и мы можем сконструировать их для производства и доставки терапии в организм, меняет правила игры для синтетической биологии», - сказал Хасти. «Но мы должны найти способы поддерживать работу генетических цепей. Еще многое предстоит сделать, но мы показываем, что можем менять популяции и поддерживать работу цепи. Это большой шаг вперед для синтетической биологии».
Достижения биомедицинских исследований
Одной из исследовательских групп, работающих над дальнейшим продвижением и внедрением схемы синхронизированного лизиса, руководит Тал Данино, ныне профессор Колумбийского университета, который также опубликовал плодотворную работу по разработке определения кворума для синтетической биологии в рамках его докторская степеньD. в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
Таль недавно продемонстрировал, что синхронизированную технологию лизиса можно использовать для доставки иммунотерапии к опухолям у мышей. Насколько мне известно, они первыми показали, что бактериальное производство и доставка лекарств в обработанную опухоль может модифицировать иммунную систему. для борьбы с необработанными опухолями. Результаты впечатляют. Они также подчеркивают, насколько важно для нас понять, как поддерживать работу контура лизиса как можно дольше», - сказал Хасти.
Существующий подход не ограничивается системой с тремя штаммами. Например, отдельные суп-популяции микробов могут быть запрограммированы на производство разных лекарств, предлагая потенциал точной комбинированной лекарственной терапии для лечения, например, рака.
Исследователи изучили динамику популяций с помощью микрожидкостных устройств, которые позволяют контролировать взаимодействие между различными субпопуляциями. Они также продемонстрировали надежность системы при испытаниях в более крупных скважинах.
Следующим шагом будет объединение этого подхода со стандартными подходами к стабилизации и демонстрация работы системы на живых моделях животных.
«Мы приближаемся к чрезвычайно стабильной платформе доставки лекарств с широким применением для бактериальной терапии», - сказал Хасти.
Хасти, Дин и Данино являются соучредителями GenCirq, компании, которая стремится передать эту и связанную с ней работу в клинику.