Синтетические биологи продлили функциональную жизнь противоракового генетического контура в микробах

Биоинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали метод, позволяющий значительно продлить срок жизни генетических контуров, которые используются для программирования микробов на производство и доставку лекарств, расщепление химикатов или работу в качестве экологических сенсоров.

Большинство контуров, встраиваемых синтетическими биологами в микробы, ломаются или полностью исчезают из клеток через определенное время — обычно от нескольких дней до недель — из-за различных мутаций. Однако в выпуске журнала Science от 6 сентября 2019 года исследователи продемонстрировали, что могут поддерживать работу генетических контуров гораздо дольше.

Ключом к этому подходу стала возможность полностью заменять одну субпопуляцию микробов, несущую генетический контур, на другую, чтобы сбросить «часы мутаций», сохраняя при этом работоспособность самого контура.

«Мы показали, что можем стабилизировать генетические контуры, не вступая в борьбу с эволюцией», — сказал профессор биоинженерии и биологии Джефф Хасти, ведущий автор исследования. — «Как только мы перестали бороться с эволюцией на уровне отдельных клеток, мы смогли поддерживать работу метаболически затратного генетического контура так долго, как захотим».

Контур, использованный исследователями в работе для Science, активно применяется этой и другими группами для разработки новых видов терапии рака.

«Как синтетические биологи, мы стремимся создавать генетические контуры, которые позволят нам использовать микроорганизмы для широкого спектра приложений. Однако сегодня реальность такова, что контуры, которые мы встраиваем в микробы, склонны выходить из строя из-за эволюции. Будь то дни, недели или месяцы — даже с лучшими подходами к стабилизации — это лишь вопрос времени. И как только функциональность контура утрачена, ничего не остается, кроме как начинать заново», — сказал Майкл Ляо, аспирант по биоинженерии и первый автор статьи. — «Наша работа показывает, что есть другой путь, и не только в теории, но и на практике. Мы нашли способ сдерживать мутации, разрушающие контур. Мы можем постоянно сбрасывать "часы мутаций"».

Если метод команды удастся оптимизировать для живых систем, последствия могут быть значительными для многих областей, включая терапию рака, биоремедиацию и биопроизводство полезных белков и химических компонентов.

Камень-Ножницы-Бумага

Чтобы создать «кнопку сброса» для часов мутаций, исследователи сосредоточились на динамике взаимодействия штаммов микробов, а не на попытках сдерживать давление отбора на уровне отдельных клеток. Они продемонстрировали свою систему инженерии на уровне сообщества, используя три субпопуляции E. coli с динамикой власти по принципу «камень-ножницы-бумага». Это означает, что штамм «камень» может убить штамм «ножницы», но будет убит штаммом «бумага».

Большинство опубликованных работ фокусируется на стратегиях стабилизации на уровне отдельных клеток. Хотя некоторые из этих подходов могут быть достаточными в конкретном терапевтическом контексте, эволюция диктует, что в какой-то момент они перестанут работать. Однако, поскольку стабилизация по принципу RPS действует на уровне сообщества, её можно сочетать с системами, работающими на уровне одной клетки, чтобы радикально продлить срок их службы.

Создание противораковых препаратов и их доставка в опухоли

В 2016 году в журнале Nature исследователи под руководством Хасти вместе с коллегами из MIT описали «контур синхронизированного лизиса», который можно использовать для доставки убивающих рак препаратов, производимых бактериями, которые накапливаются в опухолях и вокруг них. Это заставило группу из UCSD сосредоточиться на платформе синхронизированного лизиса для экспериментов, опубликованных в Science.

Эти скоординированные «взрывы» происходят только после достижения заданной плотности клеток благодаря функции «чувства кворума», также встроенной в генетический контур. После взрыва примерно 10% бактериальной популяции, которая не лизировалась, снова начинает расти. Когда плотность популяции снова достигает заданного уровня (снова срабатывает «чувство кворума»), запускается очередная взрывная доставка лекарства, и процесс, закодированный в контуре, перезапускается.

Проблема, однако, в том, что этот противораковый генетический контур — как и другие контуры, созданные синтетическими биологами — со временем перестает работать в бактериях. Виновник — мутации, движимые процессом эволюции.

«Тот факт, что некоторые бактерии естественным образом растут в опухолях, и мы можем сконструировать их для производства и доставки терапии в организме, меняет правила игры для синтетической биологии», — сказал Хасти. — «Но мы должны найти способы поддерживать работу генетических контуров. Предстоит еще работа, но мы показываем, что можем менять популяции и сохранять работу контура. Это большой шаг вперед».

Достижения в биомедицинских исследованиях

Одну из групп, работающих над дальнейшим развитием и внедрением контура синхронизированного лизиса, возглавляет Тал Данино, ныне профессор Колумбийского университета, который также опубликовал основополагающую работу по разработке «чувства кворума» для синтетической биологии во время своей докторской степени в UCSD.

«Тал недавно показал, что технологию синхронизированного лизиса можно использовать для доставки иммунотерапии в опухоли у мышей. Насколько мне известно, они первые показали, что производство и доставка лекарства бактериями внутри обработанной опухоли могут модифицировать иммунную систему для атаки на необработанные опухоли. Результаты fascinating. Они также подчеркивают, как важно для нас понять, как поддерживать работу контура лизиса как можно дольше», — сказал Хасти.

Текущий подход не ограничивается системой из трех штаммов. Например, отдельные субпопуляции микробов можно запрограммировать на производство разных лекарств, что открывает потенциал для точной комбинированной терапии для лечения рака.

Исследователи изучали динамику популяций с помощью микрофлюидных устройств, позволяющих контролировать взаимодействие между разными субпопуляциями. Они также показали, что система устойчива при тестировании в более крупных лунках.

Следующим шагом будет сочетание этого подхода со стандартными методами стабилизации и демонстрация работы системы на живых моделях животных.

«Мы приближаемся к созданию чрезвычайно стабильной платформы доставки лекарств с широкой применимостью для бактериальной терапии», — сказал Хасти.

Хасти, Дин и Данино являются соучредителями компании GenCirq, которая стремится перенести эту и связанную с ней работу в клинику.