Бактериальный ответ на окисление как барометр токсинов
Обычные бактерии с выраженной реакцией на токсины, вызывающие окислительный стресс, могут стать основой для биосенсора, предсказывающего угрозы для общественного здоровья.
Исследователи из Virginia Tech и Edward Via Virginia College of Osteopathic Medicine (VCOM) сообщают о работе над прототипом бактериального биосенсора и корреляции его показаний с повреждением тканей мозга.
Многие экологические токсины в воде, такие как пестициды, тяжелые металлы и ПХБ, убивают посредством механизмов окислительного стресса, — говорит фармаколог Bev Rzigalinski (VCOM). Окислительный стресс вызывается несбалансированными молекулами, называемыми свободными радикалами, и другими молекулами, способствующими окислению, которые повреждают клетки и генетический материал, отнимая электроны.
Грамотрицательные гетеротрофные бактерии «выплевывают» калий в присутствии окислительного стресса, — говорит профессор Nancy Love (Virginia Tech). «Скорее, "потеют" калием», — уточняет аспирант Kaoru Ikuma.
Ответная реакция бактерий, заключающаяся в выталкивании калия из клеток при окислительном стрессе, называется глутатион-зависимым калиевым эффлюксом (GGKE). «Типичные бактерии, которые можно найти где угодно, будут иметь эту реакцию, но эти конкретные бактерии действительно извергают калий», — говорит Love.
Rzigalinski заинтересовалась этим: возможно, реакция GGKE может использоваться для прогнозирования потенциального повреждения клеток животных и человека. «Но бактерии отличаются от клеток млекопитающих», — отмечает она.
«Мы хотели проверить, будет ли работать тот же тип маркера с человеческими клетками, особенно клетками мозга. Мы использовали бактерии для калибровки сенсора», — говорит Rzigalinski. «Бактерии легче подготовить, и они более устойчивы, чем клетки млекопитающих, например, ткань мозга крысы. Ткань мозга наиболее чувствительна к токсинам. Мы хотели связать реакцию бактерий с реакцией клеток, как барометр».
«И мы увидели, что это хорошо коррелирует», — говорит Ikuma. «То, что запускает бактерии, также запускает и клетки».
Используя токсин N-этилмалеимид в качестве константы, Ikuma и Rzigalinski проводят измерения и наблюдают корреляции между реакцией GGKE и повреждением митохондрий в клеточных культурах.
«Если мы сможем создать библиотеку клеточных ответов, у нас может появиться либо общий, либо специфический предиктор», — говорит профессор Brian Love (Virginia Tech). «Мы пока не знаем, потому что не тестировали другие типы клеток».
Brian Love помогает исследовательской группе в попытках иммобилизовать бактерии-часовые в рамках стратегии проектирования биосенсора.
Nancy Love начала работу с микробами, находя организмы для переработки отходов на очистных сооружениях. Заметив, что полезные организмы выводятся из строя различными токсинами в воде, она и студент посетили конференцию микробиологов, изучающих стрессовые системы. «Мы увидели связь между тем, что они наблюдали в пищевой промышленности, и тем, что видели мы в системах очистки сточных вод».
Она обнаружила, что повсеместно распространенные грамотрицательные гетеротрофные бактерии используются для мониторинга систем пищевой промышленности — почему бы не применить их для сточных вод?
После разработки того, что Brian Love называет «бактериальными канарейками» — системой раннего предупреждения для защиты микробов в системах очистки сточных вод, — Nancy Love начала искать другие применения: от общего мониторинга воды до мониторинга здоровья биологических систем в окружающей среде. Так она встретилась с Rzigalinski.
«Это хороший сенсор, потому что он измеряет биологический эффект, а не концентрации», — говорит Rzigalinski. «Таким образом, мы можем измерить окислительное повреждение, когда помещаем сенсор в воду, а не индивидуальные концентрации отдельных химикатов. Он также сигнализирует о присутствии окислительного токсина, который вы еще не идентифицировали».
«Нам не нужно иметь 20 сенсоров для 20 токсинов. Мы можем обнаружить присутствие любого окислительного токсина», — говорит Love.