Миллионы людей принимают пробиотики с целью улучшения пищеварения. А что если эти бактерии могли бы обнаружить заболевания кишечника? Новое исследование Института Висса Гарвардского университета и Гарвардской медицинской школы показало эффективный неинвазивный способ диагностики с помощью новых бактериальных биосенсоров, которые могут распознавать и сообщать о наличии различных признаков заболевания в кишечнике.
Суть данной работы заключается в идентификации генетических элементов бактерий, которые реагируют на различные сигналы кишечника.
Когда бактерии E.coli подвергаются воздействию определенного биологического сигнала, пусковой элемент, встроенный в их ДНК, переводит элемент памяти в состояние «включено», позволяя легко идентифицировать потом бактерии, которые «запоминают» наличие сигнала. Источник: Институт Висса.
В основе открытия лежит ранее созданная генетическая схема, состоящая из «элемента памяти», полученного из вируса, и синтетического «триггерного элемента», которые вместе могут обнаруживать и регистрировать наличие определенного стимула – первоначально деактивированной версии антибиотика тетрациклина. Синтетическая цепь была интегрирована в геном кишечной палочки (E.coli). Модифицированные бактерии были введены живым мышам, а затем им давали тетрациклин. Антибиотик заставил триггерный элемент в бактериальном контуре активировать элемент памяти, который «щелкнул», как переключатель, и оставался «включенным» в течение недели, чтобы бактерии «запомнили» присутствие тетрациклина. Сигнал «вкл» затем легко читался путем анализа экскрементов животных.
После этого группа продемонстрировала, что схема может быть настроена для обнаружения и сообщения о тетратионате (естественной молекуле, которая указывает на наличие воспаления) в кишечнике живых мышей на срок до шести месяцев после введения в организм. Таким образом они показали, что система может быть использована для мониторинга сигналов, полезных для диагностики заболеваний кишечника долгосрочной перспективе.
Но тетратионат – это всего лишь одна молекула. Чтобы осуществлять диагностику на основе бактерий, исследователям понадобился способ быстро тестировать различные потенциальные триггерные элементы.
Для этого они изменили генетический контур, вставив ген устойчивости к антибиотику спектиномицину. Ген активируется, когда элемент памяти переходит в «включенное» состояние, позволяя бактериям выживать при воздействии антибиотика. Чтобы проверить обновленную схему для широкого спектра молекулярных сигналов, исследователи создали библиотеку различных штаммов кишечной палочки, каждый из которых содержал элемент памяти и уникальный триггерный элемент в своем геноме. Эту библиотеку штаммов бактерий затем ввели в кишечник живых мышей, чтобы увидеть, были ли какие-либо из триггерных элементов активированы веществами в кишечнике мышей. Культивирование бактерий из экскрементов в среде, содержащей спектиномицин, показало, что количество штаммов выросло, значит, их элементы памяти были включены во время прохождения через пищеварительную систему мышей. Два штамма демонстрировали последовательную активацию, даже когда мыши были в изоляции, то есть они были активированы условиями внутри кишечника и могут использоваться в качестве датчиков специфических для кишечника сигналов.
Исследователи повторили эксперимент, используя меньшую библиотеку штаммов E.coli, триггерными элементами которых были генетические последовательности, предположительно связанные с воспалением. Десять из них активировались во время прохождения через организм мышей, один конкретный штамм проявлял более сильный ответ у мышей с воспалением по сравнению со здоровыми мышами.
Дополнительные функции системы включают возможность записи сигналов, которые происходят в кишечнике либо постоянно, либо временно. Также можно регулировать чувствительность с помощью последовательностей участков связывания синтетических рибосом, встроенных в триггерные элементы, которые могут контролировать скорость, с которой промоторы «включают» память в ответ на сигнал. Эти возможности позволяют проводить тонкую настройку бактериальных биосенсоров для выявления специфических условий в кишечнике в течение длительного промежутка времени.
Авторы пишут, что в состоянии довести технологию до такого уровня, когда пациенту для диагностики заболеваний кишечника достаточно будет принять капсулу с модифицированными бактериями – точно так же, как сейчас миллионы людей принимают капсулы с пробиотиками.
Статья A. Naydich et al. Synthetic Gene Circuits Enable Systems-Level Biosensor Trigger Discovery at the Host-Microbe Interface опубликована в журнале mSystems.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Wyss Institute: Take Two E. coli and Call Me in the Morning.
