Борьба с супербактериями с помощью системы редактирования генов

Новые штаммы бактерий, устойчивые к самым мощным антибиотикам, ежегодно заражают более 2 миллионов человек в США и убивают не менее 23 000. За последнее десятилетие было открыто очень мало новых классов антибиотиков.

Инженеры MIT применили против этих супербактерий новое оружие — систему редактирования генов, способную отключать любую целевую генетическую последовательность. Они показали, что могут избирательно уничтожать бактерии, несущие вредные гены, которые обеспечивают устойчивость к антибиотикам или вызывают заболевание.

Исследование под руководством Тимоти Лу было опубликовано 21 сентября в журнале Nature Biotechnology.

Устранение устойчивости

Исследователи нацелились на специфические гены, позволяющие бактериям выживать при лечении антибиотиками. Для этого они использовали систему CRISPR, изначально являющуюся частью бактериального иммунитета.

Белок Cas9, разрезающий ДНК, направлялся с помощью коротких направляющих РНК на гены устойчивости. Например, нацеливание на ген фермента NDM-1, который позволяет бактериям противостоять бета-лактамным антибиотикам, привело к гибели более 99% бактерий, несущих этот ген. Антибиотики же, к которым у бактерий была устойчивость, не вызывали значительного уничтожения.

Также успешно были атакованы:

  • Ген SHV-18, обеспечивающий устойчивость к хинолоновым антибиотикам.
  • Фактор вирулентности энтерогеморрагической E. coli.

Система CRISPR также позволила селективно удалять специфические бактерии из смешанных бактериальных сообществ на основе их генетических сигнатур, открывая потенциал для «редактирования микробиома».

Доставка системы

Для доставки компонентов CRISPR в бактерии использовали два носителя:

  1. Инженерные бактерии, несущие гены CRISPR на плазмидах.
  2. Частицы бактериофагов, которые связываются с бактериями и вводят гены.

Оба носителя успешно распространяли гены CRISPR в популяции устойчивых бактерий. Доставка системы личинкам восковой моли, зараженным патогенной формой E. coli, повысила выживаемость личинок.

Сейчас подход тестируется на мышах, с перспективой адаптации для лечения инфекций у человека.

Высокоскоростной генетический скрининг

Другой разработанный Лу инструмент — система CombiGEM, описанная в PNAS на неделе 11 августа. Она позволяет быстро и систематически искать комбинации генов, которые повышают чувствительность бактерий к антибиотикам.

Исследователи создали библиотеку из 34 000 пар бактериальных генов (кодирующих транскрипционные факторы), каждая со своим штрих-кодом. Это позволило с помощью высокопроизводительного секвенирования оценить миллионы генетических комбинаций одновременно.

После доставки этих пар в устойчивые бактерии и обработки антибиотиками были выявлены комбинации генов, усиливающие уничтожение целевых бактерий в 10 000 – 1 000 000 раз.

CombiGEM также позволяет генерировать комбинации из трех или четырех генов более эффективно, чем предыдущие методы, и может применяться для изучения сложных процессов, таких как дифференцировка стволовых клеток или биология рака.