Jak zmienić bakterie jelitowe w dziennikarzy

Jak do tej pory, badacze wyposażyli  E.coli - zwyczajną bakterię jelitową – w obwód genetyczny umożliwiający wykrywanie i zapamiętywanie występowania antybiotyków. Te bakterie, powstałe w wyniku inżynierii genetycznej, kolonizowały jelita myszy nie powodując choroby. Jeżeli w diecie myszy będzie antybiotyk, wszystkie bakterie zmieniają status, co można stwierdzić badając odchody gryzoni. Zasada jest prosta i pozwala na udowodnienie obecności  antybiotyku i wykrycie, na ile jest skuteczny. Opisywane badanie tworzy podstawy metody umożliwiającej użycie w znacznie bardziej ekscytujących zastosowaniach, które zespół właśnie zaczyna wprowadzać. Wyobraźcie sobie mikroreporterów, którzy mogą odkryć podpisy chemiczne procesów zapalnych, bakterii chorobotwórczych lub toksyn środowiskowych.

Projekt stanowi część rozwijającej się dziedziny biologii syntetycznej. Jej pracownicy wnoszą etos inżynieryjny do świata istot żywych, poprzez łączenie różnych „części” lub „modułów” genetycznych tworząc organizmy o nowych możliwościach. Wiele z początkowych sukcesów świetnie nadawało się do fascynujących pokazów, jak na przykład bakterie fotograficzne, ale obecnie ta dziedzina rozpoczyna zajmować się poważnymi zastosowaniami, takimi jak drożdże produkujące  leki przeciwmalaryczne, komórki mające zdolność do autodestrukcji w momencie, gdy stają się komórkami rakowymi, czy bakterie powodujące tworzenie dłuższych korzeni przez rośliny . „Zmęczyliśmy się produkując systemy będące zabawkami i niemające rzeczywistego zastosowania” powiada Silver.

Aby stworzyć swoją bakterię reportera, Silver zbudowała zespół wraz z dwoma partnerami – Jeffrey’em Way’em z  Harvard’s Wyss Institute oraz wirusem zwanym lambda. Lamda jest bakteriofagiem – wirusem zarażającym bakterie. Cykl życiowy tego faga obejmuje dwa stadia – jedno, gdy aktywnie rozmnaża się i zabija swojego gospodarza oraz drugie, gdy się przedostaje do genomu gospodarza i pozostaje tam uśpiony i niegroźny.

Przełącza się między tymi dwoma stadiami za pomocą genetycznego przełącznika obejmującego dwa geny - cl i Cro - które równocześnie nawzajem się blokują. Gdy bitwę wygra cl a Cro jest nieaktywne, wówczas fag wybiera tryb życia uśpiony, ukryty. Natomiast, gdy zwycięzcą jest Cro a cl jest nieaktywne, wówczas fag wybiera bardziej śmiercionośną drogę życiową. Wpływ środowiska, taki jak głód lub promieniowanie, może naruszyć równowagę pomiędzy dwoma genami, przełączając faga z jednego trybu życia na drugi.

Przełącznik lambdy był idealny dla potrzeb Silver i Way’a - dostarczył metodę zmiany pomiędzy dwoma stanami, zależny od sygnału zewnętrznego. Ma również wielkie zalety.

Po pierwsze, w latach 1970-ych i 1980-ych  naukowcy, tacy jak Mark Ptashne, dokładnie opisali pracę przełącznika na najbardziej podstawowym poziomie; natomiast Silver wcześniej  pracowała w laboratorium Ptashne'a, a Way w laboratorium tuż obok. „Zrozumieliśmy działanie przełącznika na poziomie szczegółowym, jakiego nie można znaleźć w żadnym z podręczników” jak mówi Silver.

Po drugie przełącznik faga lambda nigdy nie zawodzi. Komórka działa w chaotycznym środowisku a geny włączane są przypadkowo przez cały czas. Lecz dla lambdy byłoby to katastrofalne – gdy fag w złym momencie przełączy się i uruchomi zabijanie ryzykuje, że zginie ze swoim gospodarzem. Tak, więc w toku naturalnej selekcji powstał przełącznik, który działa na zasadzie wszystko albo nic w dwóch możliwych pozycjach i jest nadzwyczaj stabilny. Nie przełącza się przypadkowo. „Spróbuj znaleźć obwód zrobiony przez człowieka działający tak dobrze” mówi Silver.

Zespół pobrał przełącznik z genomu faga lambdy i zaimplantował do bakterii E.coli. Badacze ustawili jego działanie tak, że rozpoczynał w stanie cl a w odpowiedzi na antybiotyk zwany tetracykliną stabilnie przełączał się w stan Cro. W stanie Cro bakteria włączała inny gen, który zmieniał jej kolor na niebieski, gdy wzrastała w prawidłowych warunkach. Uzyskano następujący wynik: gdy bakterie rosły w laboratorium, ich kolor wskazywał czy miały kontakt z tetracykliną. Wykrywały, pamiętały i raportowały.

Na początku członkowie zespołu Jonathan Kotula i Jordan Kerns sprawdzili zmodyfikowany przełącznik na laboratoryjnym szczepie E.coli. Następnie, wykazali, że działa również w stanie dzikim i rzeczywiście mieszka w jelitach myszy. Następnie nakarmili myszy stworzonym szczepem bakterii, który się zadomowił i zachowywał dokładnie w taki sposób jakiego oczekiwali. Ważne są obie fazy – zespół musiał sprawdzić przyszłe obwody genetyczne w laboratorium – wyhodować mikroby, które nie będą powodowały problemów naturalnym bakteriom, a po udoskonaleniu będą działały w naturalnych szczepach myszy

Chris Voigt z MIT wyraził swoje zdumienie, szczególnie tym, że obwód „działał tak niezawodnie w trudnych warunkach panujących w jelitach myszy”. Wielu biologów syntetycznych próbowało programować komórki z użyciem specyficznych obwodów genetycznych i często się zdarzało, że to co działa w laboratorium, zawodziło w warunkach naturalnych. „Jest to jeden z niewielu przykładów – jeżeli nie jedyny – obwodu działającego poza probówką testową lub fermentorem” stwierdza Voigt.

Aktualnie Silver i Way ciężko pracują nad następnymi zastosowaniami, z których wszystkie wykorzystują przełącznik lambdy jako podstawę. Ich ostateczną wizją jest stworzenie bakterii, która nie tylko będzie wykrywała zmiany w jelitach, lecz także na nie reagowała. Wyobraźcie sobie szczep, który wykrywa wczesne stadia zapalenia i produkuje lek przeciwzapalny, lub wyczuwa szkodliwy gatunek mikroba i produkuje antybiotyk. Wówczas bakterie byłyby dziennikarzami i lekarzami.

„Wiemy, że to będzie działało" mówi Silver. „Już mamy pewne wstępne dane. Gdy poznamy podstawy działania tego urządzenia, możemy je programować, umieszczać w dalszych częściach procesu, jako leki lub na wcześniejszych etapach, jako czujniki”.

Zrealizowanie takich zastosowań może zająć lata; dzisiaj praca zespołu stanowi świadectwo jak duże znaczenie ma nauka podstawowa. W latach 1970. i 1980. żaden z badaczy zajmujących się fagami nie przypuszczał, że ich praca będzie wykorzystana w taki sposób.

Nawet Way nie był o tym przekonany. Jak  mówi „występowała niesamowita ilość drobnych szczegółów, które nie wydawały się ze sobą powiązane, ani konieczne do wyjaśnienia zagadek życia”   „Lecz właśnie te szczegóły był naprawdę przydatne w inżynierii. Poziom podręcznika nie jest wystarczający, dlatego wiele prób biologii syntetycznej poniosło porażkę  i nie prowadziło do stworzyło odpornych systemów”. Natura tworzy rzeczy proste, lecz by je naśladować, musimy je zrozumieć w najdrobniejszych szczegółach.

Odniesienie: Kotula, Kerns, Shaket, Siraj, Collins, Way & Silver. 2014. Programmable bacteria detect and record an environmental signal in the mammalian gut. PNAS http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1321321111

Więcej na temat biologii syntetycznej: Czy możemy ocalić świat tworząc na nowo życie?

How to turn gut bacteria into journalists

Tłumaczenie: Elżbieta Pląskowska