Генная инженерия создает искусственные микробы кишечника, способные общаться друг с другом

9 сентября 2018



Что было бы, если бактерии, живущие в вашем кишечнике, могли бы мониторировать ваше здоровье, сообщать о болезнях и производить полезные молекулы? Исследователи стали на один шаг ближе к созданию такого «синтетического микробиома» путем генной доработки различных видов бактерий, заставляющей микроорганизмы обмениваться друг с другом информацией. Учитывая, что в человеческом кишечнике находится более 1000 различных штаммов кишечных бактерий, такая координация имеет решающее значение для развития систем, которые могут оценивать и улучшать здоровье человека на уровне пищеварительного тракта.

В человеческом кишечнике на настоящий момент идентифицировано более 1000 видов бактерий, и понимание этого невероятно разнообразного «микробиома», которое может сильно повлиять и на здоровье, и на болезни, является широко обсуждаемой темой в научном сообществе. Сейчас считается достаточно реальным, что генотип бактерий генетически сконструированных в научных лабораториях, можно подвергнуть столь тонкой настройке, что они смогли бы стать чем-то большим, чем просто помощниками в переваривании нашей пищи. Ну, например, они могли бы записывать информацию о состоянии кишечника в реальном время, сообщать о наличии заболевания и т. д.. Однако мало что известно о том, как все эти многочисленные штаммы взаимодействуют друг с другом, и возможно ли создание новых видов сигнальных путей, которые позволяли бы передавать информацию между микроорганизмами.

Теперь исследователи из гарвардского института Висса по биоинженерии (Wyss Institute at Harvard University), Медицинской школы Гарварда (Harvard Medical School (HMS)) и Госпиталя для Женщин им. Брайэма (Brigham and Women’s Hospital) успешно разработали генетическую систему передачи сигналов, в результате, в ответ на внешний стимул, сальмонелла тифимуриум (Salmonella Typhimurium) отправляет молекулярный сигнал, который может быть получен и зарегистрирован кишечной палочкой (E. Coli) в кишечнике мыши. Это приблизило ученых к разработке «синтетического микробиома», состоящего из бактерий, запрограммированных на выполнение определенных функций. Результаты данной работы были опубликованы в ACS Synthetic Biology.

«Чтобы улучшить здоровье человека с помощью искусственных кишечных бактерий, нам нужно начать выяснять, как заставить бактерии обмениваться информацией друг с другом», — сказал Сухюн Ким, аспирант лаборатории Памелы Силвер в Институте Висса, который является основным автором статьи. «Мы хотим убедиться, что, поскольку синтез пробиотиков в наше время развивается, у нас есть средства для их согласования и контроля их гармоничного взаимодействия».

Команда использовала, так называемое, «чувство кворума», способность, которая естественным образом проявляется у некоторых штаммов бактерий, и которая заключается в том, что бактерии посылают и получают сигнальные молекулы, которые указывают общую плотность бактериальной колонии и регулируют экспрессию многих генов, участвующих в групповых действиях. Особый тип чувства кворума, известный как ацил-гомосерин-лактон (acyl-homoserine lactone, acyl-HSL), ранее не наблюдался в кишечнике млекопитающих, поэтому команда решила проверить, могут ли они перепрофилировать сигнальную систему для создания путей передачи бактериальной информации с использованием генной инженерии.

Исследователи представили два новых генетических механизма в разных колониях штамма бактерий E.coli: «сигнализирующие» (signaler) и «отвечающие» (responder). Схема сигнализации содержит единственную копию гена luxI, который включается молекулой ангидротетрациклина (anhydrotetracycline) и продуцирует сигнальную молекулу чувства кворума. Схема ответа на сигнал структурирована таким образом, что, когда связывающая сигнальная молекула прикрепляется к ней, ген, называемый cro, активируется для продуцирования белка Cro, который затем включает «элемент памяти» у «отвечающих». Элемент памяти выражается двумя дополнительными генами: LacZ и копией cro. Экспрессия LacZ приводит к тому, что бактерии изменяют окраску на синюю, если их наносят на специальный агар, что дает визуальное подтверждение того, что сигнальная молекула ими получена. Дополнительная копия cro формирует положительный цикл обратной связи, который удерживает элемент памяти, гарантируя, что в бактерии в течение длительного периода времени будет продолжаться экспрессия LacZ.

Исследователи подтвердили, что эта система работает in vitro (использовались специальные микробиологические инкубаторы), как в случае бактерий E. coli, так и в случае сальмонелл S. Typhimurium, наблюдая, что «отвечающие» бактерии окрашиваются в синий цвет, когда ангидротетрациклин добавляется к «сигнаизирующим» бактериям. Чтобы убедиться, что это будет работать и in vivo, ученые продолжили эксперимент, вводя оба вида бактерий E. coli, и посылающие сигналы, и отвечающие на них бактерии мышам, а затем этим мышам давали ангидротетрациклин, добавляя его в питьевую воду в течение двух дней. Когда образцы фекалий от этих лабораторных мышей были проанализированы, было обнаружено, что более чем у половины мышей имелись четкие признаки передачи сигнала 3OC6-HSL (3-oxohexanoy6-homoserine lactone), которые сохранялись в течение двух дней после приема ангидротетрациклина. «Это очень и очень многообещающе, что наша система с единичной копией гена может создавать функциональные связи в кишечнике мыши», — объяснил Ким. «Традиционная генная инженерия вводит несколько копий интересующего гена в бактериальный геном через плазмиды, что создает большую метаболическую нагрузку на сконструированные бактерии и делает их менее конкурентоспособными в сравнении с другими бактериями в кишечнике хозяина».

Наконец, команда повторила in vivo-эксперимент, но дала мышам в качестве сигнализирующих бактерий сальмонеллы S. Typhimurium, а в качестве отвечающих на сигнал бактерии кишечные палочки E. Coli. Данный опыт был проведен для того, чтобы увидеть, может ли сигнал передаваться между разными видами бактерий в кишечнике мыши. У всех мышей были обнаружены признаки передачи сигнала, что подтверждает, что данные генно-моделированные системы позволяют образовывать связи между различными видами бактерий в сложной среде кишечника млекопитающих. Экспериментаторы надеются продолжить эту линию исследования, разработав больше видов бактерий, способных общаться друг с другом. Кроме того, они надеются найти другие сигнальные молекулы, которые можно будет использовать для передачи информации между микроорганизмами«.

«Нашей конечной целью является создание синтетического микробиома со сконструированными видами бактерий (полностью или в основной их массе), который может функционировать в нашем кишечнике. Каждый из этих видов будет иметь специализированную функцию (например, выявление и лечение заболеваний, создание полезных молекул, улучшение пищеварения и т. д.), и сможет общаться с другими, для обеспечения сбалансированности, необходимой для оптимального поддержания здоровья человека», — сказала один из авторов работы, доктор философии, профессор биохимии и системной биологии Памелла Сильвер, член-учредитель Института Висса.