Исследователи разработали способ контролировать бактериальные гены по щелчку выключателя при помощи электричества.
В ход пошла синтетическая биология — направление, занимающееся проектированием и созданием биологических систем с заданными свойствами и функциями, которые не имеют аналогов в природе. Учёные, работающие в этой области, ищут методы подключения к электричеству организмов, созданных при помощи генной инженерии. Такой подход позволит создать живые компоненты для устройств, которые внедряются и работают внутри тела человека.
Способность запрограммированных бактерий чувствовать окружающую среду и реагировать на малейшие изменения делает их особенно ценными для устройств, работающих внутри человека (биосенсоров или имплантатов), отмечает соавтор работы Уильям Бэнтли (William Bentley) из Мэрилендского университета.
"Если вы хотите узнать, что происходит в желудочно-кишечном тракте или полости рта, и если при этом вы можете подключиться к электронике, вы способны интерпретировать то, что происходит, а также контролировать процесс и управлять им", — поясняет учёный.
К примеру, контролируемые бактерии смогут "замечать" вредные вещества в организме пользователя и реагировать на них, а устройство сразу выделит антибиотик, чтобы предотвратить распространение инфекции (к слову, ранее учёные уже превращали бактерии в программируемые медицинские зонды).
Для того чтобы "заставить" конкретные гены бактерий реагировать на электрическую стимуляцию, команда использовала окислительно-восстановительный потенциал молекул (так называемые редокс-молекулы). Напомним, что процесс окисления-восстановления – это передача электронов от атома к атому. Примерно то же самое происходит и здесь: молекулы забирают и передают электроны.
В экспериментах учёные использовали природные генетические компоненты бактерий Escherichia coli (больше известной как кишечная палочка). Они реагируют на так называемый окислительный стресс, когда слишком много молекул в клетке окисляются, что делает их опасно реактивными.
Команда погружала электрод в жидкость, содержащую бактерии, и когда он подавал положительный заряд, часть редокс-молекул окислялась, что запускало естественные генетические механизмы микроорганизмов — реакцию на окислительный процесс. Когда же электрод генерировал отрицательный заряд, гены "выключались". Именно эти механизмы "включения" нужных генов были конечной целью учёных.
Команда Бэнтли показала возможности такого простого в общем-то подхода, заставив кишечную палочку плавать или светиться по требованию.
Более того, оказалось, что электричество может влиять даже на поведение тех клеток, над которыми не производили непосредственные манипуляции (в ходе опытов запрограммированные бактерии посылали сигналы своим нетронутым сородичам, которые также начинали светиться).
По словам учёных, "настройка" новых свойств бактерий оказалась относительно простой: изменения были минимальны, однако результат, который они выдают, потенциально очень важен.
Одна из сфер применения нового метода – биосенсоры, в которых можно использовать реконструированные бактерии, чтобы те обнаруживали определённые вещества. Например, их можно запрограммировать на поиск конкретных инфекций, в ходе которых выделяются известные учёным соединения. Как только нужное вещество будет детектировано, перепрограммированные бактерии будут светиться.
По предварительным оценкам, полная разработка технологии должна занять 1-2 года. В планах учёных также создание таблеток для приёма внутрь, которые будут содержать запрограммированные бактерии, а те смогут собирать нужные данные уже внутри организма.
Подробнее с исследованием можно ознакомиться в статье, вышедшей в научном издании Nature Communications.
Напомним, что ранее биологи провели радикальную перепись генома кишечной палочки, а также создали бактерию-Франкенштейна, которая способна обнаруживать химикаты и токсины.
