Исследователи перепрограммировали активность генов бактерий с помощью красного света

Учёные из Университета Байройта изменили чувствительность бактериальных систем контроля активности генов к красному свету и перепрограммировали их молекулярный ответ на световой стимул. Результаты, опубликованные в Nature Communications, открывают захватывающие возможности для биотехнологического применения бактерий.

В будущем возможен подход, при котором бактерии направляются в нужные места в организме, чтобы после активации высвобождать активные вещества или производить белки целенаправленно. Для этого хорошо подходит активация красным светом, способным проникать через живые ткани. Однако это требует понимания основ молекулярных реакций на внешние стимулы, такие как свет.

Бактерии постоянно адаптируются к изменяющимся внешним сигналам, таким как температура, pH или свет. На молекулярном уровне эти адаптации часто происходят путём присоединения или отщепления фосфатных групп. Во многих бактериях за эти процессы отвечает двухкомпонентная система, состоящая из светочувствительного фермента и регулятора.

В некоторых системах фермент отщепляет фосфатные группы от регулятора под красным светом; в темноте фермент добавляет фосфатные группы к регулятору. Регулятор затем запускает дальнейшие молекулярные процессы в бактериях, например, изменение активности генов, что можно использовать для производства практически любого белка.

Исследователи модифицировали бактериальную двухкомпонентную систему, показав, что физиологический ответ бактериальных систем на внешние стимулы можно специфически перепрограммировать.

Для своей модели докторант Штефани Майер и профессор д-р Андреас Мёглих заменили светочувствительный модуль двухкомпонентной системы на другой. Это сделало систему в десять раз более чувствительной к красному свету, чем исходный вариант.

Причина более высокой светочувствительности кроется в изменённой активности фосфатных групп: в модифицированной системе фосфатные группы отщеплялись быстрее под красным светом по сравнению с исходной. Это означает, что система инактивируется даже при низких интенсивностях красного света.

Учёные также изменили длину соединения ("линкера") между светочувствительным модулем и остальной частью фермента. Они обнаружили, что системы с модифицированными линкерами демонстрировали противоположные свойства в световой регуляции и сигнальном ответе на генетическом уровне по сравнению с исходными системами.

Полученные варианты с повышенной чувствительностью и перепрограммированной активностью служат новыми инструментами для применения в синтетической биологии и биотехнологии.

"Результаты, полученные на этой модели, имеют общее значение для бесчисленных систем такого типа, которые регулируют важные бактериальные реакции, такие как развитие, движение и инфекционность. Кроме того, мы создаём системы, которые можно напрямую использовать в биотехнологии и которые позволяют активировать производство любых белков с помощью красного света", — говорит Мёглих.