Биоинженеры перепроектировали систему "общения" бактерий

Биоинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего перепроектировали, как безвредные бактерии E. coli "общаются" друг с другом. Новая генетическая схема может стать полезным инструментом для синтетических биологов, стремящихся лучше контролировать бактерии, которых они конструируют для выполнения различных задач, включая доставку лекарств, биопроизводство ценных соединений и экологический мониторинг.

Новизна стратегии контроля UC San Diego над E. coli, рабочими лошадками синтетической биологии, заключается в следующем: бактериальные клетки в популяции сконструированы так, чтобы не могли общаться друг с другом с помощью химических сигналов, если в среде отсутствует одна конкретная внешняя молекула.

Работа опубликована 4 марта 2020 года в журнале Nature Communications.

Традиционно синтетические биологи используют естественные бактериальные системы коммуникации, известные как чувство кворума, для контроля бактериальных сообществ, выполняющих такие задачи, как целевая доставка лекарств.

Одна из проблем систем чувства кворума — их сложно регулировать извне. Чтобы решить эту проблему, исследователи создали "индуцибельную систему чувства кворума", призванную дать синтетическим биологам лучший контроль над системами бактериальной коммуникации.

Вдохновившись генетической схемой, обнаруженной у фотосинтезирующей бактерии Rhodopseudomonas palustris, исследователи создали систему чувства кворума, которая функционирует только тогда, когда бактериям предоставляется растительное соединение p-кумариновая кислота, содержащееся в большинстве фруктов и овощей.

• Без p-кумариновой кислоты бактерии не могут общаться.
• При средних концентрациях кислоты они способны сигнализировать и обмениваться информацией о размере своей колонии.
• При высоких концентрациях они перепроизводят сигнальные молекулы, что заставляет их вести себя так, будто они всегда являются частью большой популяции.

Биоинженеры продемонстрировали свою индуцибельную схему, способную контролировать координацию бактериальных клеток во времени и пространстве, совместно экспрессируя её с геном лизиса (разрушения клетки). Это позволило значительно расширить контроль над платформой доставки "груза" по сравнению с существующими естественными системами чувства кворума.

Используя низкие и средние концентрации p-кумариновой кислоты, исследователи заставили популяции бактерий переключаться между отсутствием доставки и устойчивыми колебаниями высвобождения груза. При использовании традиционной системы чувства кворума груз доставлялся бы только при достижении бактериями достаточно высокой концентрации.

Кроме того, воздействие высоких концентраций p-кумариновой кислоты привело к гибели всех клеток, поскольку они были вынуждены постоянно производить белки лизиса независимо от размера популяции.