Телефон для вашего микробиома

Исследователи из Института Висса при Гарвардском университете, Гарвардской медицинской школы (HMS) и Женской больницы Бригама создали генетическую систему передачи сигналов между бактериями в кишечнике мыши, приблизившись к созданию "синтетического микробиома".

Проблема и цель

В кишечнике человека идентифицировано более 1000 видов бактерий. Хотя существует большой интерес к генетической модификации кишечных бактерий для диагностики или лечения, мало известно о том, как разные штаммы общаются между собой и можно ли создать искусственные пути передачи информации.

Решение: инженерная система связи

Команда использовала природную способность бактерий к "чувству кворума" (quorum sensing), а именно систему ацил-гомосеринлактонного (acyl-HSL) sensing, которая ранее не наблюдалась в кишечнике млекопитающих. Они создали две генетические схемы, встроенные в разные колонии E. coli:

  1. Схема "сигнализатор": содержит ген luxI, который активируется молекулой аноргидтетрациклина (ATC) и производит сигнальную молекулу для чувства кворума.
  2. Схема "респондер": при связывании сигнальной молекулы активирует ген cro, который включает "элемент памяти". Этот элемент экспрессирует гены LacZ (визуальный маркер — бактерии синеют на специальном агаре) и дополнительную копию cro (петля положительной обратной связи для сохранения памяти).

Результаты экспериментов

  • In vitro: система работала в E. coli и Salmonella Typhimurium — бактерии-респондеры синели при добавлении ATC к сигнализаторам.
  • In vivo (один вид): мышам вводили и сигнализатор, и респондер E. coli, затем давали ATC с водой. Анализ образцов кала показал, что у более половины мышей передача сигнала (3OC6HSL) была четкой и сохранялась.
  • In vivo (межвидовая): мышам вводили сигнализатор S. Typhimurium и респондер E. coli. У всех мышей были признаки передачи сигнала между разными видами бактерий в сложной среде кишечника.

Ключевое преимущество и перспективы

Система использует схемы на основе одной копии гена (single copy-based circuits), что снижает метаболическую нагрузку на модифицированные бактерии по сравнению с традиционными плазмидами с множественными копиями генов.

Цель — создание синтетического микробиома из полностью или преимущественно модифицированных видов, каждый из которых выполняет специализированную функцию (детекция болезней, производство полезных молекул и т.д.), но при этом общается с другими для поддержания баланса и оптимального здоровья.

Исследование опубликовано в ACS Synthetic Biology.