Инженерные «роевые боты» зависят от сородичей для выживания
Исследователи из Университета Дьюка создали микробов, которые не могут сбежать из «дома»: те, кто это сделает, быстро погибнут без защитных белков, производимых их сородичами.
Система, названная «роевыми ботами» за способность выживать только в толпе, может служить защитным механизмом, предотвращающим попадание генетически модифицированных организмов в окружающую среду. Этот подход также позволит надёжно программировать колонии бактерий на реакцию на изменения в окружающей среде, например, на выброс определённых молекул по сигналу.
Система описана в статье, опубликованной онлайн 29 февраля 2016 года в журнале Molecular Systems Biology.
«Безопасность всегда вызывала опасения при модификации бактерий для медицинских применений из-за риска неконтролируемого распространения», — сказал Линчон Ю, доцент инженерии в Университете Дьюка.
«Другие лаборатории решали эту проблему, заставляя клетки зависеть от неестественных аминокислот для выживания или вводя “предохранительный выключатель”, активируемый каким-либо химическим веществом», — пояснил Ю. «Наша работа — первый пример использования коллективного выживания как способа внутренней реализации этой защиты».
В эксперименте Ю и его коллеги модифицировали непатогенный штамм E. coli, чтобы он производил химическое вещество AHL. Они также изменили клетки так, что при достаточно высокой концентрации AHL заставляет их вырабатывать антидот к антибиотикам. Когда популяция E. coli достаточно плотная, антидот сохраняет их жизнь даже в присутствии антибиотиков, которые в ином случае убили бы их.
Затем исследователи поместили достаточно большое количество бактерий в капсулу и обработали её антибиотиками. Пока E. coli оставались внутри контейнера, где их плотность была высокой, они все выживали. Но если отдельные бактерии сбегали, их быстро убивал антибиотик.
Хотя этот конкретный пример не будет работать в обычной среде без присутствия антибиотика, Ю заявляет, что эксперименты являются доказательством концепции. Концепцию можно применить к другим генетическим схемам, которые могут реализовать коллективное выживание в одной или нескольких популяциях.
«В целом, эта концепция не зависит от использования антибиотиков», — сказал Ю. «С этой платформой мы надеемся развивать несколько направлений. Мы используем непатогенную E. coli, но надеемся показать, что ту же концепцию можно реализовать с пробиотическим штаммом бактерий».
«Мы можем представить себе программирование пробиотиков, способных реагировать на изменения условий окружающей среды», — сказал Шуцян Хуан, научный сотрудник в лаборатории Ю. «Эта реакция может включать доставку белков или химических веществ для модуляции микробиома».
Другой способ использования технологии — внедрение изолированной популяции бактерий, которая могла бы помочь организму реагировать на патогены.
«Мы хотим запрограммировать клетки на реакцию на сигналы, производимые патогенными бактериями», — сказала Анна Ли, аспирант в лаборатории Ю, которая планирует заниматься этим направлением в своей докторской диссертации. «Мы могли бы подавлять их вирулентность и одновременно атаковать их».
«Это основа», — сказал Ю. «Как только мы создали платформу, у нас появляется свобода вводить любые белки по нашему выбору и позволять этим клеткам участвовать во множестве различных применений».