Микробиом, или совокупность микроорганизмов, присутствующих в организме, как известно, влияет на здоровье и болезни человека, и исследователи думают о новых способах их использования в качестве средств диагностики и терапии нового поколения. Сегодня бактерии из нормального микробиома уже используются в модифицированной или аттенуированной форме в пробиотиках и терапии рака. Ученые используют естественную способность микроорганизмов ощущать и реагировать на стимулы, связанные с окружающей средой и болезнями, а также простоту внедрения в них новых функций. Это особенно полезно при хронических воспалительных заболеваниях, таких как воспалительное заболевание кишечника (ВЗК), которые трудно контролировать неинвазивно. Однако существует несколько проблем, связанных с разработкой живых средств диагностики и терапии, включая создание надежных датчиков, которые не дают сбоев и способны осуществлять долгосрочный мониторинг биомолекул..
Чтобы использовать бактерии микробиома в качестве датчиков биомаркеров, их геном необходимо модифицировать с помощью синтетических генетических цепей или набора генов, которые работают вместе для достижения сенсорной или ответной функции. Некоторые из этих генетических изменений могут ослаблять или нарушать нормальные сигнальные цепи и быть токсичными для этих бактерий. Даже в тех случаях, когда пробиотические микробы переносят изменения, сконструированные клетки могут иметь задержки роста и уступать другим компонентам микробиома. В результате пробиотические бактерии и искусственные терапевтические микробы быстро выводятся из организма, что делает их непригодными для длительного мониторинга и модуляции тканевой среды организма.
Команда из Института биологической инженерии Висса под руководством Памелы Сильвер, доктора философии, разработала мощный бактериальный сенсор со стабильной генной цепью в колонизирующем бактериальном штамме, который может регистрировать воспаление кишечника в течение шести месяцев у мышей.. Это исследование предлагает решение предыдущих проблем, связанных с живой диагностикой, и может приблизить их к использованию на людях. О результатах сообщается в журнале Nature Biotechnology..
Сильвер, член основного факультета Института Висса, а также профессор биохимии и системной биологии Эллиот Т. и Они Х. Адамс в Гарвардской медицинской школе, рассматривал кишечник как первое приложение для этой системы. из-за его недоступности неинвазивными средствами и его склонности к воспалению у пациентов, страдающих хроническими заболеваниями, такими как ВЗК.«Мы думаем о кишечнике как о черном ящике, который трудно увидеть, но мы можем использовать бактерии, чтобы осветить эти темные места. Пациенты и врачи проявляют большой интерес, которые подталкивают нас к созданию датчиков для биомаркеров заболеваний кишечника, таких как ВЗК и Рак толстой кишки, - сказал Сильвер, - мы считаем, что наша работа открывает огромные возможности, которые могут использовать гибкость и модульность нашего диагностического инструмента и расширить использование сконструированных организмов для самых разных приложений».
Ключом к работе команды является введение модуля памяти в схему, которая способна обнаруживать интересующую молекулу и реагировать на это воздействие еще долго после того, как стимул исчезнет. Поскольку бактерии могут быть быстро удалены из кишечного тракта, команда использовала штамм бактерий, который является частью микробиома мышей, и спроектировала его таким образом, чтобы он содержал сенсорные элементы и элементы памяти, способные обнаруживать тетратионаты. Тетратионат представляет собой временную метаболическую молекулу, продуцируемую в воспаленном кишечнике мыши в результате инфицирования патогенными бактериями, такими как Salmonella typhimurium и Yersinia enterocolitica, или в результате генетических дефектов, влияющих на воспаление.
Синтетическая генетическая схема, разработанная командой Висса, содержит «пусковой элемент», который заимствован из естественной системы, специально распознающей биомаркер (в данном случае тетратионат) в клетках, или который может быть разработан с использованием синтетических подходов, когда нет предыдущий датчик есть. Второй элемент в схеме - это «элемент памяти», который напоминает тумблер и был адаптирован из вируса, атакующего бактерии. Он состоит из двух генов (для простоты А и В), которые регулируют друг друга в зависимости от наличия раздражителя. В сенсоре тетратионата продукт гена А блокирует экспрессию гена В, когда тетратионата нет. Когда тетратионат вырабатывается во время воспаления и воспринимается триггерным элементом, уровни А снижаются, а ген В индуцируется и начинает отключать экспрессию гена А. Экспрессия гена В также связана с репортерным геном, который превращает бактерии в от бесцветного до синего только при включении элемента памяти. Переключатель может оставаться во включенном состоянии долгое время после первого воздействия тетратионата.
После проверки функциональности датчика в жидкой культуре бактерий Дэвид Риглар, доктор философии, первый автор исследования, смог показать, что он обнаруживает тетратионат в мышиной модели воспаления кишечника, вызванного инфекцией. с S. typhimurium до шести месяцев после введения пробиотических бактерий, содержащих сенсор. Путем простого анализа фекалий было подтверждено, что состояние памяти синтетической цепи включено, а ее ДНК неизменна и стабильна. «Наш подход заключается в использовании сенсорной способности бактерий для мониторинга окружающей среды в нездоровых тканях или органах. Добавляя генные цепи, которые сохраняют память, мы предполагаем дать людям пробиотики, которые регистрируют прогрессирование заболевания с помощью простого и неинвазивного фекального теста», - сказал Риглар..
Команда Сильвера планирует распространить эту работу на обнаружение воспалений в кишечнике человека, а также разработать новые датчики, обнаруживающие признаки множества других заболеваний.
Работа Пэм демонстрирует силу синтетической биологии для развития медицины, поскольку она обеспечивает способ рационального и быстрого проектирования сложных сенсоров практически для любой молекулы. В случае успеха на людях их технология предложит гораздо менее дорогой и более конкретный способ контролировать функцию кишечника в домашних условиях, чем сложные инструменты визуализации, используемые сегодня», - сказал Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, директор-основатель Института Висса, профессор сосудистой биологии Джуды Фолкман в Гарвардской медицинской школе и программе сосудистой биологии в Бостонской детской больницы, а также профессор биоинженерии в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона.