Синтетические клеточные отсеки останавливают распространение генов устойчивости к антибиотикам

Инженеры-биомедики из Университета Дьюка продемонстрировали новый синтетический подход к контролю биохимических процессов в клетке. Вместо создания частиц, напрямую взаимодействующих с клеточными механизмами по принципу «ключ-замок», они заставили клетки строить специальные отсеки, которые физически блокируют или, наоборот, стимулируют биомолекулярные функции.

Исследователи показали, что их метод может влиять на два клеточных процесса: распространение генетических инструкций между бактериями и модуляцию белковых цепей в клетках млекопитающих. Результаты могут стать основой для новых стратегий борьбы с болезнями и остановки распространения устойчивых к антибиотикам патогенов.

Результаты опубликованы 6 февраля в журнале Nature Chemical Biology.

«Живая клетка похожа на густой суп с лапшой. Плотность биомолекул в ней иногда сравнивают с размещением всего населения планеты в Большом Солёном озере», — пояснил постдок Яифань Дай.

Биологические микросистемы обычно работают по механизму «ключ-замок», когда белок или молекула ДНК точно подходит по форме к своей мишени. Однако, поскольку клетки чрезвычайно плотно упакованы, учёные давно предполагали, что у них должны быть способы тонкой регуляции активности. В 2009 году был открыт один из таких механизмов — биологические конденсаты, опосредованные фазовым разделением.

Это небольшие отсеки, которые клетка может строить, чтобы либо разделять, либо объединять определённые белки и молекулы, подавляя или усиливая их активность.

В работе исследователи создали синтетический набор генетических инструкций, заставляющий клетки производить разные типы конденсатов, которые захватывают различные биомолекулярные процессы.

Ключевые результаты:

1. Блокировка горизонтального переноса генов: Созданные конденсаты останавливают перемещение небольших колец ДНК (плазмид) между бактериями. Этот процесс (горизонтальный перенос генов) — один из основных способов, которым патогены распространяют устойчивость к антибиотикам. Его блокировка может стать ключевым шагом в борьбе с «супербактериями».
2. Контроль транскрипции в E. coli: Метод позволил контролировать процесс транскрипции ДНК в РНК, эффективно усиливая экспрессию определённого гена за счёт сближения необходимых факторов.
3. Модуляция белковых цепей в клетках млекопитающих: Подход также продемонстрировал возможность модулировать активность белковых цепей в клетках млекопитающих, что может быть полезно для борьбы с различными заболеваниями, особенно генетическими.

«Эта работа показывает, что мы, как инженеры, можем с нуля проектировать новые молекулярные части, заставлять клетку их производить и собирать внутри клетки в новую машину», — сказал профессор Ашутoш Чилкоти. — «Эти синтетические конденсаты можно активировать внутри клетки, чтобы контролировать её функции. Эта работа — часть зарождающейся области, которая позволит нам перепрограммировать жизнь новыми и увлекательными способами».