Синтетические бактериальные схемы памяти позволяют создавать микробные диагностические системы для обнаружения биомолекул в кишечнике
Исследователи из Института Висса Гарвардского университета и Гарвардской медицинской школы (HMS) разработали эффективный неинвазивный метод для быстрой идентификации новых бактериальных биосенсоров, способных распознавать и сообщать о присутствии различных триггеров заболеваний в кишечнике. Работа опубликована в mSystems.
Платформа на основе генетической схемы памяти
Новая платформа основана на предыдущей работе лаборатории Памелы Сильвер, которая создала генетическую схему, состоящую из «элемента памяти», полученного из вируса, и синтетического «триггерного элемента». Эта схема способна обнаруживать и записывать присутствие заданного стимула. Схема была интегрирована в геномы бактерий E. coli.
- В первоначальных экспериментах бактерии вводили живым мышам, которым давали тетрациклин. Антибиотик активировал элемент памяти, который «переключался» в состояние «включено» и оставался в нём до недели.
- Сигнал «включено» легко считывался при неинвазивном анализе экскрементов животных.
- Позже команда показала, что схему можно настроить для обнаружения и отчёта о тетратионате (молекуле, указывающей на воспаление) в кишечнике живых мышей в течение до шести месяцев.
Высокопроизводительный скрининг новых биосенсоров
Для быстрого тестирования различных потенциальных триггерных элементов на отклик к другим сигналам болезней исследователи модифицировали схему:
- Добавили ген устойчивости к антибиотику, который активируется, когда элемент памяти переходит в состояние «включено».
- Создали библиотеку различных штаммов E. coli, каждый из которых содержал в геноме элемент памяти и уникальный триггерный элемент.
- Библиотеку штаммов ввели в кишечник живых мышей.
- Бактерии из образцов фекалий выращивали на среде со спектиномицином. Рост колоний указывал на активацию элемента памяти в кишечнике мыши.
Результаты скрининга
- Несколько штаммов показали активацию в кишечнике мышей. Два из них демонстрировали стабильную активацию даже при введении по отдельности, что указывает на их реакцию на условия в кишечнике.
- При тестировании меньшей библиотеки штаммов с триггерными элементами, связанными с воспалением, десять из них активировались при прохождении через мышей.
- Один конкретный штамм показал более сильный ответ памяти у мышей с воспалением кишечника по сравнению со здоровыми, подтвердив способность записывать присутствие воспалительных биомолекул.
Ключевые особенности и перспективы
- Использование природного разнообразия: Метод позволяет идентифицировать существующие в природе биосенсоры, которые невозможно спроектировать из-за недостаточного знания функций бактериальных геномов.
- Гибкость: Система может записывать как хронические, так и транзиторные сигналы.
- Настраиваемая чувствительность: Синтетические последовательности сайта связывания рибосомы (RBS) в триггерных элементах позволяют регулировать скорость активации памяти в ответ на сигнал.
- Потенциал для диагностики: Технология эволюционировала от тестирования одного фактора к многопараметричному анализу. В будущем это может привести к созданию пробиотикоподобной таблетки со сложным набором бактерий, одновременно чувствующих и записывающих несколько сигналов, что позволит клиницистам точнее диагностировать заболевания.
«Наше понимание поведения микробиома кишечника человека все еще находится на ранней стадии, что затрудняло масштабные исследования по созданию биосенсоров из живых бактерий. Эта работа обеспечивает высокопроизводительную платформу для идентификации генетических элементов в бактериях, которые реагируют на различные сигналы в кишечнике», — Дэвид Риглар, Imperial College London.
«Мы смогли продвинуть эту технологию от инструмента, который тестирует одну вещь, к инструменту, который может тестировать несколько вещей одновременно», — Памела Сильвер, HMS.
«Этот подход имеет потенциал радикально преобразовать то, как мы взаимодействуем с биологическими системами и контролируем их, включая наши собственные тела», — Дональд Ингбер, Институт Висса.