Исследователи разработали базовые вычислительные элементы для бактерий

В статье, опубликованной в журнале Cell Systems, исследователи из MIT представили серию сенсоров, переключателей памяти и схем, которые можно закодировать в обычной бактерии кишечника человека Bacteroides thetaiotaomicron.

Эти базовые вычислительные элементы позволят бактериям чувствовать, запоминать и реагировать на сигналы в кишечнике. В будущем это может найти применение для раннего обнаружения и лечения воспалительных заболеваний кишечника или рака толстой кишки.

Ранее исследователи создавали генетические схемы в модельных организмах, таких как E. coli. Однако, по словам ведущего исследователя Тимоти Лу, такие штаммы встречаются в кишечнике человека лишь в небольших количествах.

"Мы хотели работать со штаммами, подобными B. thetaiotaomicron, которые присутствуют у многих людей в больших количествах и могут стабильно колонизировать кишечник в течение длительного времени", — говорит Лу.

Команда разработала серию генетических частей для точного программирования экспрессии генов в бактериях. "Используя эти части, мы создали четыре сенсора, которые можно закодировать в ДНК бактерии и которые реагируют на сигнал, включая и выключая гены внутри B. thetaiotaomicron", — говорит соавтор Кристофер Войгт.

Сигналами могут быть пищевые добавки, включая сахара, что позволяет контролировать бактерии через пищу, потребляемую хозяином.

Бактериальная "память"

Чтобы чувствовать и сообщать о патологиях в кишечнике, бактериям необходима память. Для этого исследователи снабдили B. thetaiotaomicron формой генетической памяти, используя класс белков — рекомбиназ, которые могут записывать информацию в бактериальную ДНК.

Также была внедрена технология CRISPR interference для контроля включения или выключения генов в бактерии. С её помощью модулировали способность B. thetaiotaomicron потреблять определённое питательное вещество и сопротивляться действию антимикробной молекулы.

Исследователи продемонстрировали работу своих генетических инструментов и переключателей в B. thetaiotaomicron, колонизирующих кишечник мышей. Когда мышей кормили пищей с определёнными компонентами, бактерии могли "запомнить", что ели мыши.

Расширение инструментария

Теперь исследователи планируют расширить применение своих инструментов на другие виды Bacteroides, поскольку микробный состав кишечника варьируется от человека к человеку.

"Мы стремимся расширить наш генетический инструментарий для широкого спектра бактерий, которые являются важными комменсальными организмами в кишечнике человека", — говорит Лу.

Концепция использования микробов для обнаружения и реагирования на признаки болезни может быть применена и в других частях тела. Более сложные генетические вычислительные схемы, построенные на этом инструментарии, могут улучшить их работу как неинвазивных средств диагностики и терапии.

"Например, для диагностики заболеваний с помощью инженерных бактерий нам нужны высокая чувствительность и специфичность. Чтобы достичь этого, мы могли бы сконструировать бактерии для обнаружения нескольких биомаркеров, чтобы реакция срабатывала только при наличии всех из них", — объясняет Лу.