С помощью нескольких хитрых молекулярных приемов исследователи из Медицинского центра Колумбийского университета превратили естественную бактериальную иммунную систему в микроскопический регистратор данных, заложив основу для нового класса технологий, использующих бактериальные клетки для самых разных целей, от диагностики болезней до экологический мониторинг.
Исследователи модифицировали обычный лабораторный штамм вездесущего человеческого кишечного микроба Escherichia coli, позволив бактериям не только записывать свое взаимодействие с окружающей средой, но и ставить отметки времени событий.
«Такие бактерии, проглоченные пациентом, могут быть в состоянии записывать изменения, которые они испытывают, во всем пищеварительном тракте, давая беспрецедентное представление о ранее недоступных явлениях», - говорит Харрис Ванг, доцент кафедры патологии. и клеточной биологии и системной биологии в CUMC, а также старший автор новой работы, описанной в сегодняшнем выпуске журнала Science. Другие приложения могут включать зондирование окружающей среды и фундаментальные исследования в области экологии и микробиологии, где бактерии могут отслеживать невидимые в противном случае изменения, не нарушая своего окружения..
Ванг и сотрудники его лаборатории создали регистратор микроскопических данных, воспользовавшись преимуществами CRISPR-Cas, иммунной системы многих видов бактерий. CRISPR-Cas копирует фрагменты ДНК вторгшихся вирусов, чтобы последующие поколения бактерий могли более эффективно отражать эти патогены. В результате локус CRISPR бактериального генома накапливает хронологическую запись бактериальных вирусов, которые выжили он и его предки. Когда те же самые вирусы пытаются снова заразить, система CRISPR-Cas может распознать и уничтожить их.
«Система CRISPR-Cas - это естественное биологическое устройство памяти», - говорит Ван. «С инженерной точки зрения это на самом деле очень хорошо, потому что это уже система, которая была отточена в ходе эволюции, чтобы действительно хорошо хранить информацию».
CRISPR-Cas обычно использует свои записанные последовательности для обнаружения и разрезания ДНК поступающих фагов. Специфичность этого действия по разрезанию ДНК сделала CRISPR-Cas любимцем исследователей генной терапии, которые модифицировали его, чтобы вносить точные изменения в геномы культивируемых клеток, лабораторных животных и даже людей. Действительно, в настоящее время проводится более дюжины клинических испытаний для лечения различных заболеваний с помощью генной терапии CRISPR-Cas.
Но Рави Шет, аспирант лаборатории Ванга, увидел нереализованный потенциал функции записи CRISPR-Cas. «Когда вы думаете о записи изменяющихся во времени сигналов с помощью электроники или аудиозаписи… это очень мощная технология, но мы думали, как вы можете масштабировать ее на сами живые клетки?» говорит Шет.
Чтобы создать свой микроскопический регистратор, Шет и другие сотрудники лаборатории Ванга модифицировали часть ДНК, называемую плазмидой, дав ей возможность создавать больше своих копий в бактериальной клетке в ответ на внешний сигнал. Отдельная записывающая плазмида, которая управляет записывающим устройством и отмечает время, экспрессирует компоненты системы CRISPR-Cas. В отсутствие внешнего сигнала активна только записывающая плазмида, и клетка добавляет копии спейсерной последовательности к локусу CRISPR в своем геноме. Когда клетка обнаруживает внешний сигнал, другая плазмида также активируется, что приводит к вставке вместо нее ее последовательностей. Результатом является смесь фоновых последовательностей, которые записывают время и сигнальные последовательности, которые меняются в зависимости от окружения клетки. Затем исследователи могут изучить бактериальный локус CRISPR и использовать вычислительные инструменты для чтения записи и ее времени.
Текущая статья доказывает, что система может обрабатывать как минимум три одновременных сигнала и вести запись в течение нескольких дней.
«Теперь мы планируем изучить различные маркеры, которые могут быть изменены при изменении естественных или болезненных состояний, в желудочно-кишечной системе или где-либо еще», - говорит доктор Ван.
Синтетические биологи ранее использовали CRISPR для хранения стихов, книг и изображений в ДНК, но CRISPR впервые используется для регистрации клеточной активности и времени этих событий.