Бактериальная память о воспалении кишечника
Микробиом (сообщество микроорганизмов в организме) влияет на здоровье человека, и исследователи ищут новые способы его использования в качестве диагностических и терапевтических средств следующего поколения. Сегодня модифицированные бактерии из нормального микробиома уже применяются в пробиотиках и терапии рака. Учёные используют естественную способность микроорганизмов чувствовать и реагировать на стимулы, а также лёгкость внедрения в них новых функций. Это особенно полезно при хронических воспалительных заболеваниях, таких как воспалительное заболевание кишечника (ВЗК), которые сложно контролировать неинвазивно. Однако создание живых диагностических и терапевтических средств сопряжено с трудностями, включая разработку надёжных сенсоров для долгосрочного мониторинга.
Чтобы использовать бактерии микробиома как сенсоры биомаркеров, их геном модифицируют синтетическими генетическими цепями — наборами генов, работающих вместе для выполнения сенсорной или ответной функции. Некоторые такие изменения могут ослабить нормальные сигнальные пути и быть токсичными для бактерий. Даже если пробиотические микробы переносят изменения, модифицированные клетки могут отставать в росте и вытесняться другими компонентами микробиома. В результате пробиотические и терапевтические бактерии быстро выводятся из организма, что делает их непригодными для длительного мониторинга.
Команда Института биологически инспирированной инженерии Висса под руководством Памелы Сильвер, Ph.D., создала мощный бактериальный сенсор со стабильной генной цепью в колонизирующем штамме, который может регистрировать воспаление кишечника у мышей в течение шести месяцев. Исследование предлагает решение предыдущих проблем и приближает такие технологии к применению у пациентов. Результаты опубликованы в Nature Biotechnology.
Сильвер, являющаяся также профессором биохимии и системной биологии Гарвардской медицинской школы, рассматривала кишечник как первую цель для применения системы из-за его труднодоступности для неинвазивной диагностики и подверженности воспалению при хронических заболеваниях, таких как ВЗК.
Ключевым элементом работы стало внедрение в цепь модуля памяти, способного обнаруживать молекулу-мишень и реагировать на её присутствие долгое время после исчезновения стимула. Поскольку бактерии могут быстро выводиться из кишечного тракта, команда использовала штамм бактерий, входящий в микробиом мышей, и модифицировала его, добавив сенсорные и запоминающие элементы для детекции тетратионата. Тетратионат — это нестабильная метаболическая молекула, образующаяся в воспалённом кишечнике мышей в результате инфекции патогенными бактериями (например, Salmonella typhimurium и Yersinia enterocolitica) или генетических дефектов, влияющих на воспаление.
Синтетическая генетическая цепь, разработанная командой, содержит:
- «Триггерный элемент», заимствованный из естественной системы распознавания биомаркера (в данном случае тетратионата).
- «Элемент памяти», похожий на переключатель и
адаптированный из вируса, атакующего бактерии. Он состоит из двух генов
(A и B), которые регулируют друг друга в зависимости от наличия стимула.
- В отсутствие тетратионата продукт гена A блокирует экспрессию гена B.
- При воспалении и наличии тетратионата уровни A снижаются, ген B активируется и начинает подавлять экспрессию гена A.
- Экспрессия гена B связана с репортёрным геном, который окрашивает бактерии в синий цвет только после переключения элемента памяти в состояние «включено». Это состояние может сохраняться долгое время после первого контакта с тетратионатом.
После проверки функциональности сенсора в жидкой культуре бактерий первый автор исследования Дэвид Риглар, Ph.D., показал, что он детектирует тетратионат в модели воспаления кишечника у мышей, вызванного инфекцией S. typhimurium, до шести месяцев после введения пробиотических бактерий, содержащих сенсор. Простой анализ фекалий подтвердил, что состояние памяти цепи оставалось «включённым», а её ДНК — неизменной и стабильной.
Команда Сильвер планирует расширить эту работу для детекции воспаления в кишечнике человека, а также разработать новые сенсоры для признаков других заболеваний.