Ученые создали живые бактериальные сенсоры для обнаружения ДНК патогенов

Раннее обнаружение инфекционных заболеваний может быть ключом к успешному лечению. Инженеры в области синтетической биологии из Университета Висконсина разработали и создали бактерии, которые находят и обнаруживают фрагменты ДНК, выделяемые инфекционными патогенами. Эта система обещает сверхраннее выявление смертельных заболеваний, таких как сепсис, где скорость критически важна.

Исследование опубликовано в Nature Communications в лаборатории Офелии Вентурелли, Ph.D. Работу совместно возглавляли постдок Ю-Ю Ченг и аспирант Чжэньги Чен.

Как работает сенсор

Команда использовала естественную способность бактерии Bacillus subtilis (B. subtilis) захватывать ДНК из окружающей среды. В её геном была интегрирована серия генов — «генетическая программа». Она включает регион («кассету») с конкретной последовательностью ДНК, соответствующей целевому организму. Эту кассету можно легко менять для идентификации различных патогенов.

Программа активируется, когда B. subtilis находит целевую последовательность и вводит её в клетку. Активация запускает каскад событий, кульминацией которого является флуоресцентный сигнал (зелёный флуоресцентный белок, GFP), указывающий на обнаружение.

Результаты экспериментов

В первых экспериментах команда вставила фрагмент ДНК E. coli в кассету. Сенсорные бактерии успешно обнаружили ДНК E. coli в растворе.

Последующие эксперименты показали, что сенсор на основе B. subtilis можно запрограммировать для успешного обнаружения ряда человеческих бактериальных патогенов, включая:

• Кишечный патоген Salmonella typhimurium (S. typhimurium).
• Патоген кожи и дыхательных путей Staphylococcus aureus (S. aureus).

Значение и перспективы

Джермонт Чен, Ph.D., руководитель программы в Национальном институте биомедицинской визуализации и биоинженерии (NIBIB), отметил: «Способность таких сенсоров обнаруживать человеческие патогены открывает возможности для ряда инновационных диагностических и терапевтических подходов». Система может использоваться для быстрой диагностики и лечения инфекций специфическими, а не широкого спектра антибиотиками, что особенно ценно при сепсисе.

Вентурелли видит потенциал для применения в микробиоме человека: «Эта работа открывает возможность создания сенсоров, которые безвредно живут в экосистеме человеческого тела, выступая в роли часовых для болезни. Появление ДНК вредных бактерий, растущих в кишечнике, может быть обнаружено сенсором B. subtilis, что позволит начать лечение на ранней стадии».

Следующие шаги

Сейчас команда сосредоточена на улучшениях, необходимых для практического применения технологии:

• Повышение эффективности захвата ДНК B. subtilis.
• Увеличение эффективности обнаружения ДНК патогена при низких концентрациях.
• Разработка более сложных генетических программ, позволяющих сенсорным бактериям не только идентифицировать патоген, но и сразу производить терапевтические белки для борьбы с инфекцией.