Создание бактерий для поддержания нашего здоровья
Ощущения в кишечнике действительно могут влиять на психическое состояние, поскольку часть триллионов бактерий в кишечнике синтезирует нейромедиаторы, ответственные за нервозность, тревогу и эйфорию. Дисбаланс этих гормонов ухудшает психическое здоровье.
Тэ Сок Мун, адъюнкт-профессор в McKelvey School of Engineering, работает над решением: генетически модифицированными бактериями, которые могут отслеживать и корректировать химический дисбаланс прямо в кишечнике. Его исследование опубликовано 11 ноября в журнале Cell Systems.
В 2017 году Мун получил грант на разработку пробиотика, защищающего от негативных эффектов всплесков адреналина. Его метод основан на создании «бактериального сенсора», способного обнаруживать определённые химические вещества. В его лаборатории уже разработаны сенсоры для температуры, pH, уровня кислорода, света, загрязнителей и других химических веществ, связанных с заболеваниями.
Ключевой фактор — специфичность
До сих пор главной проблемой подобных сенсоров была низкая специфичность — трудности в различении структурно схожих молекул. Команда Муна доказала, что эту проблему можно решить, создав сенсорный путь в бактерии Escherichia coli Nissle 1917 (EcN), который реагирует только на один конкретный тип молекул.
Используя компьютерное моделирование, первый автор работы Остин Роттингхаус и другие члены лаборатории смогли разработать сенсорный путь, чувствительный исключительно к целевым молекулам. Бактерии научились различать:
- Фенилаланин (Phe) и тирозин (Tyr), связанные с фенилкетонурией (PKU) и тирозинемией 2-го типа соответственно.
- Фенилэтиламин (PEA) и тирамин (Tyra), содержащиеся в пище и кишечнике.
С этим доказательством концепции лаборатория может приступить к разработке актюатора — белка, который будет действовать на основе информации от сенсора. Например, для лечения PKU бактерия сможет не только обнаруживать избыток фенилаланина, но и расщеплять его.
Подобные модифицированные организмы могут применяться не только в медицине, но и для контроля качества пищи или регулирования метаболических путей при микробном синтезе фармацевтических препаратов, топлива и других химикатов.
Лично Мун наиболее заинтересован в бактериях, способных отслеживать уровень нейромедиаторов в кишечнике. «Если уровень слишком высок, бактерии производят фермент, расщепляющий целевое химическое вещество. Если слишком низок — фермент, синтезирующий его больше», — пояснил он.
Около 95% гормона серотонина синтезируется бактериями в кишечнике. Дисбаланс этого и других нейромедиаторов причиняет серьёзные страдания. «Это начало нашего инженерного решения», — заявил Мун.