Диагностические инструменты на основе синтетической биологии

Синтетическая биология — это междисциплинарная область, применяющая инженерные подходы к биологическим системам. Как дисциплина она сформировалась в начале 2000-х годов. Сейчас её развитие вышло за рамки создания простых генетических цепей и включает разработку диагностических инструментов.

Шимин Сломович, Кит Парди и Джеймс Дж. Коллинз из MIT и Гарварда обсуждают современные тренды в создании диагностических инструментов и препятствия для их применения в полевых или клинических условиях. Их статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Рациональный дизайн диагностических инструментов использует природные системы регуляции и детекции для создания сенсоров. Идеальный сенсор селективен, чувствителен и даёт сигнал (например, флуоресценцию или изменение цвета) при обнаружении целевой клетки, фактора среды или патогена. Авторы выделяют три основные категории таких инструментов: цело-клеточный биосенсинг, in vitro и in vivo диагностика.

Цело-клеточный биосенсинг

Микроорганизмы можно использовать как биосенсоры. Классический пример — фотосинтезирующие цианобактерии, встроенные в аппаратное обеспечение. Их редокс-активность генерирует ток, а гербициды её подавляют. Отсутствие тока служит индикатором наличия гербицидов, например, в водоёмах.

Современные подходы включают генную инженерию для создания бактерий, селективных к определённому веществу (например, к мышьяку в воде). Такие клетки интегрировали в гибридные устройства с электронными компонентами, но сейчас их вытесняют планшет-ридеры с более высокой пропускной способностью.

РНК-сенсоры могут детектировать метаболиты или специфичные для болезни последовательности РНК. Принцип работы основан на снятии блока с трансляции РНК при связывании с целевой последовательностью. Сложность в том, что такие сенсоры находятся внутри бактериальной клетки и недоступны для внешней среды.

Диагностика in vitro

Бактериофаги — природные сенсоры бактерий. Инженерные фаги относительно дёшевы в производстве и могут быть запрограммированы на выдачу сигнала (например, биолюминесценции) при обнаружении целевого штамма. Их используют как для детекции (например, бактерий чумы в образце крови за несколько часов), так и в качестве альтернативы антибиотикам.

Бумажная диагностика — дешёвый и портативный метод для полевого применения. На бумагу или пористый материал наносят лиофилизированные коммерческие системы транскрипции/трансляции (бактериальные или mammalian). Они активируются при регидрации и работают по принципу РНК-сенсоров, но на бумаге, а не в клетке. В тест-системе для выявления вируса Эбола использовали ферменты, меняющие цвет для простой визуализации.

Диагностика in vivo

Биосенсинг в реальном времени позволяет отслеживать изменения во внутренней среде организма. Например, инженерные E. coli использовали для мониторинга микробиома кишечника у мышей, записывая воздействие определённого препарата.

Клетки млекопитающих (mammalian cells) также могут служить in vivo биосенсорами, совмещая функции детекции и терапии. Они используют синтетические генетические сети для изменения или мониторинга клеточного окружения, будучи изолированными от среды, но способными с ней взаимодействовать.

Один из подходов — мониторинг профилей экспрессии генов. Раковые, инфицированные вирусом или аутоиммунные клетки имеют отличный от нормальных клеток профиль экспрессии. Инженерные mammalian cells могут их идентифицировать и, потенциально, уничтожить, активируя гены самоуничтожения клетки или доставляя лекарство.

Главная сложность in vivo диагностики — доставка инженерной клетки или генетической конструкции в нужное место. Здесь на помощь приходит нанобиотехнология. Исследуются наночастицы, способные находить определённые типы клеток, и липидные везикулы для таргетной доставки.

Как отмечают авторы, «успех в синтетической биологии будет по-прежнему достигаться на стыке дисциплин». Синтетическая биология, объединяя генетику, микробиологию, инженерию и нанотехнологии, позволила добиться значительного прогресса в создании биосенсоров и диагностических систем in vitro и in vivo.