Что нового в стратегии управления UC San Diego E. coli, которые служат рабочими лошадками синтетической биологии? Бактериальные клетки в популяции сконструированы так, чтобы не иметь возможности общаться друг с другом с помощью химических сигналов, если не присутствует одна конкретная внешняя молекула.
Эта работа опубликована в номере журнала Nature Communications от 4 марта 2020 г.
«Мы надеемся, что эта система может повысить контроль и безопасность синтетических генетических цепей и, следовательно, облегчить их переход к реальным приложениям», – сказала Арианна Миано, аспирант Калифорнийского университета в Сан-Диего по биоинженерии и первый автор статьи в Nature Communications.
Эта работа сделана в лаборатории Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством Джеффа Хэсти, профессора биоинженерии в инженерной школе Джейкобса и биологии в Отделении биологических наук.
Традиционно синтетические биологи используют естественные бактериальные коммуникационные системы, известные как определение кворума, для управления сообществами бактерий, которые они используют для решения таких задач, как адресная доставка лекарств.
Чувствительность кворума у бактерий основана на производстве, распространении и приеме небольших сигнальных молекул между бактериальными клетками в популяции.
Большинство этих систем полагаются на внутренние ресурсы каждой клетки для производства сигнальной молекулы.
Одна из проблем систем контроля кворума заключается в том, что их трудно регулировать извне. Чтобы решить эту проблему, исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего создали «индуцируемую систему определения кворума»."Он разработан, чтобы дать синтетическим биологам лучший контроль над системами коммуникации бактерий – и, таким образом, лучший контроль над полезными задачами, которые выполняют эти бактериальные сообщества.
Вдохновленные генетической схемой, обнаруженной в фотосинтетической бактерии Rhodopseudomonas palustris и впервые описанной в академической литературе в 2008 году, исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего создали систему контроля кворума, которая функционирует только тогда, когда бактериям предоставляется соединение растительного происхождения, называемое p-кумариновым. кислота. Это соединение содержится в большинстве фруктов и овощей.
«Бактерии координируются по-разному в зависимости от того, сколько п-кумаровой кислоты мы вводим в среду», – сказал Миано. «Если мы не дадим п-кумаровую кислоту, бактерии не смогут общаться друг с другом, но когда мы даем им средние концентрации, они могут передавать сигнал и делиться информацией о размере своей колонии."
«Если мы даем им слишком много, они чрезмерно производят сигнальные молекулы, которые обманом заставляют их вести себя так, как если бы они всегда были частью большой популяции», – сказал Миано.
Биоинженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего продемонстрировали свою индуцибельную схему восприятия кворума, которая может контролировать координацию бактериальных клеток во времени и пространстве, коэкспрессируя ее с геном лизиса.
Выбор демонстрации с помощью гена лизиса основан на предыдущих проектах лаборатории Hasty в Калифорнийском университете в Сан-Диего, включая исследования, демонстрирующие, как лизис бактерий можно использовать для доставки лекарств, убивающих рак, вокруг опухоли.
В новой работе исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего продемонстрировали, как индуцируемое определение кворума может значительно расширить контроль над этой платформой доставки грузов по сравнению с доступными в настоящее время собственными системами определения кворума.
В частности, исследователи использовали низкие и средние концентрации п-кумаровой кислоты, чтобы заставить популяции бактерий как с новой индуцибельной схемой определения кворума, так и с геном лизиса переключаться между отсутствием доставки и устойчивыми колебаниями доставки груза.
Используя ген лизиса и традиционную систему определения кворума, груз будет доставлен только тогда, когда бактерии достигнут достаточно высокой концентрации.
"Мы только что прикоснулись к потенциалу этой коммуникационной системы. Мы очень рады видеть приложения, которые последуют за этим, связав его с экспрессией различных генов », – сказал Миано.
Исследователи также продемонстрировали, что воздействие на бактерии высоких концентраций п-кумаровой кислоты приводит к уничтожению всех клеток, заставляя их постоянно продуцировать лизисные белки, независимо от размера популяции. (Смотрите видео)