Синтетические биологи снабжают геномы микроорганизмов синтетическими цепями генов, чтобы разлагать загрязняющие окружающую среду пластмассы, неинвазивно диагностировать и лечить инфекции в кишечнике человека, а также производить химические вещества и продукты питания во время дальних космических полетов. Несмотря на большие перспективы в лабораторных условиях, эти технологии требуют мер контроля и безопасности, которые гарантируют, что сконструированные микроорганизмы сохранят целостность своих функциональных генных цепей на многих клеточных делениях и будут содержаться в конкретных средах, для которых они предназначены.
Прошлые усилия Гарвардского института биологической инженерии им. «Нам нужно было продолжить нашу предыдущую работу и разработать аварийные выключатели, которые будут стабильны в долгосрочной перспективе, а также будут полезны в реальных приложениях», - сказал Сильвер, который также является профессором биохимии Эллиота Т. и Они Х. Адамс. и системная биология в Гарвардской медицинской школе (HMS). Ее исследовательская группа теперь сообщает в Molecular Cell о двух новых типах аварийных выключателей, которые решают эти проблемы. Новые аварийные выключатели самодостаточны и очень стабильны в бактериальных популяциях, которые эволюционируют, и действуют в течение многих поколений. Они могут обеспечить выживание только бактерий с интактными синтетическими генными цепями или ограничивать бактерии целевой средой при температуре 37 ° C (температура тела), вызывая их гибель при более низких температурах, как показано во время выхода бактерий из кишечного тракта мыши.
Для первого типа аварийного выключателя, «Essentializer», команда Сильвера использовала свой ранее разработанный «элемент памяти», который позволяет бактериям кишечной палочки запоминать встречу с определенным стимулом в их среде. Элемент памяти, полученный из заражающего бактерии вируса, называемого бактериофагом лямбда, либо молчит, либо сообщает о появлении сигнала, постоянно включая видимый репортерный трансген, который ученые могут отследить. Сигналом может быть любая молекула, например, воспалительный цитокин в кишечнике или токсин в окружающей среде.
В своем недавнем исследовании команда разработала способ, который гарантирует, что элемент памяти не будет потерян из генома в ходе эволюции бактериальной популяции на протяжении более ста поколений. За это время геномы отдельных бактерий приобретают случайные мутации, которые также потенциально могут произойти в элементе памяти, разрушая его на своем пути. Исследователи представили эссенциализатор как отдельный элемент в другом месте генома бактерии. Пока элемент памяти остается интактным, любой из двух факторов бактериофага, контролирующих его функцию, также ингибирует экспрессию гена токсина, кодируемого эссенциализатором. Однако ген токсина остается несколько «дырявым», все еще производя остаточные количества токсина, которые могут убить клетку. Чтобы сдерживать эти остаточные уровни токсина, исследователи включили второй ген в свой аварийный выключатель, который производит низкий уровень антитоксина, который может нейтрализовать небольшое количество токсина..
Связывая функцию элемента памяти с функцией эссенциализатора, мы фактически связываем выживание бактерий кишечной палочки с наличием элемента памяти. Удаление элемента памяти из бактериального генома, которое также устраняет два фаговых фактора, подавляющих токсины, немедленно запускает переключатель уничтожения, чтобы произвести большое количество токсина, который подавляет антитоксин и устраняет пораженные бактерии из популяции», - сказал первый автор Финн Стирлинг, аспирант, работающий с Сильвером.«Чтобы создать эту сложную систему сдержек и противовесов, мы также убедились, что сами аварийные выключатели остались полностью неповрежденными, что является важной предпосылкой для будущих приложений; мы проверили, что они все еще функционируют после примерно 140 клеточных делений».
Второй тип аварийного выключателя, который команда называет «криосмертью», способен ограничивать бактерии определенным температурным диапазоном, используя ту же комбинацию токсина/антитоксина, но регулируя ее по-разному. Хотя снова были выработаны низкие уровни антитоксина, ген токсина был связан с регуляторной последовательностью, которая придает чувствительность к холоду. Изменение температуры бактерий с 37°C, при которой они должны процветать, на 22°C сильно индуцировало экспрессию токсина и убивало бактерии. В основополагающих экспериментах по проверке концепции команда продемонстрировала полезность Cryodeath in vivo. После введения мышам штамма E. coli, содержащего переключатель уничтожения, только 1 из 100 000 бактерий оказался жизнеспособным в образцах фекалий.«Это достижение значительно приближает нас к реальному применению синтетически созданных микробов в организме человека или в окружающей среде. Сейчас мы работаем над созданием комбинаций аварийных выключателей, которые могут реагировать на различные стимулы окружающей среды, чтобы обеспечить еще более жесткий контроль», - сказал Сильвер.
Это исследование показывает, как наши команды используют синтетическую биологию не только для перепрограммирования микробов для создания живых клеточных устройств, которые могут выполнять полезные функции для медицины и восстановления окружающей среды, но и для того, чтобы сделать это безопасным для всех способом. », - сказал директор-основатель Института Висс Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS и программы сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в Гарвардском университете имени Джона А., Школа инженерии и прикладных наук Полсона (SEAS).