Сконструированная бактерия уничтожает опасные микроорганизмы

Ученые создали генно-инженерную бактерию, способную находить и уничтожать патогенные микробы в организме без вреда для полезных бактерий.

Специалист по синтетической биологии Мэттью Ченг (Matthew Chang) из Наньянского Технологического Университета (Nanyang Technological University, Сингапур) внедрил в обычную кишечную палочку Escherichia coli гены, позволяющие ей осуществлять поиск и уничтожение опасной для человека бактерии Pseudomonas aeruginosa, вызывающей пневмонию и другие заболевания [1]. Результаты предварительных исследований, проведенных на лабораторных мышах, показали, что модифицированная бактерия смогла полностью уничтожить P. aeruginosa. Результаты исследования были опубликованы в журнале ACS Synthetic Biology.

Ранее Ченг и его исследовательская команда смогли получить штамм E. сoli, который вырабатывает антибактериальный пептид под названием пиоцин. После обнаружения химического сигнала, который выделяется бактерией-мишенью, E. сoli высвобождает содержащиеся в ней антимикробные вещества [2]. В новом исследовании Ченг и его коллеги использовали улучшенную модификацию бактерии E. сoli, и эффективность ее применения значительно выросла.

Ученые внедрили в E. сoli гены, с которых синтезируется пептид микроцин S (microcin S, MccS), размеры которого меньше размеров пиоцина. Поэтому E. сoli может секретировать пептид в окружающую среду, а не высвобождать его только во время уничтожения патогенов с сопровождающимся при этом апоптозом. Это означает, что меньшее число генно-инженерных бактерий потребуется для того, чтобы уничтожить опасную для человека бактерию.

Научная команда также внедрила в бактерию гены, необходимые для синтеза нуклеазы DNase I. Этот фермент проникает через защитную оболочку, которая окружает колонии P. аeruginosa, разрушая нуклеиновые кислоты, помогающие удерживать вместе химические соединения, входящие в состав биопленки.

Ученые запрограммировали E. сoli таким образом, чтобы бактерия не выделяла антимикробные соединения до того момента, пока она не приблизится к мишени. E. сoli может выявлять информационную молекулу P. aeruginosa, которая используется при дистанционных взаимодействиях между микроорганизмами (так называемое чувство кворума у бактерий). Этот процесс позволяет внедряющемуся микробу определить плотность своей популяции. Каждая бактерия E. coli синтезирует белок, который детектирует эту информационную молекулу, в результате чего образуется комплекс, активирующий антимикробную систему E. coli.

Комплекс также контролирует передвижение E. coli, поэтому бактерия может перемещаться именно в те области, в которых концентрация информационной молекулы более высокая – это называется хемотаксисом. Как только E. сoli обнаруживает патогенную бактерию, она начинает синтез антимикробных химических соединений.

По мнению Уильяма Бентли (William Bentley), специалиста в области синтетической биологии из Университета Мэриленд (University of Maryland, США), исследование является настоящей инновацией. Бентли говорит, что некоторые из предложенных подходов использовались в других генно-инженерных бактериях, но в этом исследовании ученые «впервые соединили все тактики в одной бактерии».

Ченг ввел в организм мышей, инфицированных бактерией P. аeruginosa, генно-инженерную E. coli. Через несколько часов ученые собрали образцы фекалий животных. Результаты исследования показали, что концентрация патогенных микроорганизмов была меньше в организме мышей экспериментальной группы, по сравнению с животными контрольной группы, которым ввели немодифицированные E. сoli. Кроме того, у животных, в организм которых попала генно-инженерная бактерия, не появились признаки развития заболевания. По мнению Ченга, разработанный подход является весьма перспективным.

Но сможет ли генно-инженерная бактерия когда-нибудь применяться у человека? Чен считает это вполне возможным. Большинство традиционно применяемых антибактериальных препаратов уничтожают все бактерии без разбора, как патогенные, так и полезные, например, полезные бактерии, обитающие в желудочно-кишечном тракте человека. Метод, предложенный Ченгом и его коллегами, позволяет нанести «точечный удар» по болезнетворным бактериям.

По мнению Ченга, бактерию можно будет применять у пациентов с высоким риском развития патогенной инфекции. E. сoli будет находиться в неактивном состоянии в желудке пациента и активироваться только в случае появления бактерии-мишени. «Конечно, существуют регуляторные трудности: созданные бактерии представляют собой генетически модифицированные организмы. Но, если мы сможет доказать, что их применение является безопасным и эффективным, то я предполагаю, что их будет возможно применять у человека», – говорит Ченг.

Бентли и его научная группа применили аналогичный подход при создании бактерии, которая направлена на поиск раковых клеток и, в случае их выявления, секретирует химические соединения [3]. Сейчас он проводит совместные исследования с Ченгом. Их проект профинансирован Агентством по Сокращению Военной Угрозы США (US Defense Threat Reduction Agency, США). Его целью является получение штамма E. сoli, который может нейтрализовать другие патогены, кроме P. aeruginosa. По словам Бентли, задачей ученых было получить штамм микроорганизма, обладающий способностью таргетно (целенаправленно) воздействовать на бактерии.

Другие ученые работают над созданием похожих генно-инженерных бактерий. Например, недавно Рон Вайсс (Ron Weiss) и его коллеги из Массачусетского Технологического Института (Massachusetts Institute of Technology, MIT, США) в Кембридже также получили E. сoli, способную выявлять аналогичную информационную молекулу P. aeruginosa, и в ответ на это доставлять антимикробное химическое соединение [4].

В настоящее время Ченг работает над совершенствованием системы, позволяющей созданной им бактерии определять специфические мишени, а также пытается повысить способность бактерии поникать через зрелую биопленку. E. coli, разработанная Ченгом, кроме того, обладает способностью захватывать патогенные микроорганизмы, что лишает их возможности сбежать от генно-инженерной бактерии.

Escherichia_coli (Фото: DR LINDA STANNARD, UCT/SCIENCE PHOTO LIBRARY)

По материалам NatureNews

Оригинальная статья: Nature doi:10.1038/nature.2013.13727

Литература:
1. Hwang, I. Y. et al. ACS Synth. Biol. http://dx.doi.org/10.1021/sb400077j (2013).
2. Saeidi, N. et al. Mol. Syst. Biol. 7, 521 (2011).
3. Wu, H.-C. et al. Mol. Syst. Biol. 9, 636 (2013).
4. Gupta, S., Bram, E. E. & Weiss, R. ACS Synth. Biol. http://dx.doi.org/10.1021/sb4000417 (2013).