Большинство цепей, которые синтетические биологи вводят в микробы, ломаются или полностью исчезают из микробов через определенный период времени – обычно от нескольких дней до недель – из-за различных мутаций. Но в выпуске журнала Science от 6 сентября 2019 года исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего продемонстрировали, что они могут поддерживать работу генетических цепей намного дольше.
Ключом к этому подходу является способность исследователей полностью заменить одну субпопуляцию, несущую генетические цепи, другой, чтобы сбросить часы мутаций, сохраняя при этом работоспособность цепи.
«Мы показали, что можем стабилизировать генетические схемы, не вмешиваясь в борьбу с эволюцией», – сказал профессор биоинженерии и биологии Калифорнийского университета в Сан-Диего Джефф Хэсти, автор исследования. «Как только мы перестали бороться с эволюцией на уровне отдельных клеток, мы показали, что можем поддерживать метаболически дорогостоящую генетическую цепь столько, сколько захотим."
Схема, которую исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего использовали в научном исследовании, – это та схема, которую эта команда и другие активно используют для разработки новых видов лечения рака.
«Как синтетические биологи, наша цель – разработать генные цепи, которые позволят нам использовать микроорганизмы для широкого спектра применений. Однако реальность сегодня такова, что генные цепи, которые мы вставляем в микробы, склонны к отказу из-за эволюции. Будь то дни, недели или месяцы, даже с лучшими подходами к стабилизации цепи, это всего лишь вопрос времени. И как только вы теряете функциональность в своей генетической цепи, ничего не остается, кроме как начать все сначала », – сказал Майкл Ляо, аспирант по биоинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего и первый автор научной статьи. «Наша работа показывает, что есть еще один путь вперед, не только в теории, но и на практике.
Мы показали, что можно сдерживать мутации, нарушающие схемы. Мы нашли способ постоянно сбрасывать часы мутации."
Если метод команды может быть оптимизирован для живых систем, последствия могут быть значительными для многих областей, включая терапию рака, биоремедиацию и биопродукцию полезных белков и химических компонентов.
Камень ножницы Бумага
Чтобы создать «кнопку сброса» для часов мутаций, исследователи сосредоточились на динамике между штаммами микробов, а не пытались сдерживать селективное давление на уровне отдельных клеток. Исследователи продемонстрировали свою инженерную систему на уровне сообщества, используя три субпопуляции E. coli с энергетической динамикой типа "камень-ножницы-бумага". Это означает, что штамм «камень» может убить штамм «ножниц», но будет убит штаммом «бумаги».
Большинство опубликованных работ, как правило, сосредоточено на стратегиях стабилизации, которые действуют на уровне отдельных клеток.
В то время как некоторые из этих подходов могут быть достаточными в данном терапевтическом контексте, эволюция диктует, что подходы с одной клеткой, естественно, будут иметь тенденцию перестать работать в какой-то момент. Однако, поскольку стабилизация «камень-ножницы-бумага» (RPS) действует на уровне сообщества, ее также можно сочетать с любой из систем, которые действуют на уровне отдельных ячеек, чтобы значительно продлить срок их службы.
Изготовление противораковых препаратов и их доставка к опухолям
В 2016 году в журнале Nature исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством Хэсти вместе с коллегами из Массачусетского технологического института описали «синхронизированную схему лизиса», которую можно использовать для доставки противораковых препаратов, производимых бактериями, которые накапливаются в опухолях и вокруг них.
Это побудило группу Калифорнийского университета в Сан-Диего сосредоточиться на платформе синхронизированного лизиса для экспериментов, опубликованных в Science.
Эти скоординированные взрывы происходят только после достижения заданной плотности клеток, благодаря функции "распознавания кворума", также встроенной в генетические схемы. После взрыва примерно 10% не взорвавшейся популяции бактерий снова начинают расти.
Когда плотность популяции снова достигает заданной плотности (больше «контроля кворума»), запускается еще один взрыв доставки лекарств, и процесс, закодированный синхронизированной схемой лизиса исследователей, перезапускается.
Проблема, однако, заключается в том, что эта генетическая цепь, убивающая рак, и другие генетические цепи, созданные синтетическими биологами, в конечном итоге перестают работать в бактериях. Виновник. Мутации, вызванные процессом эволюции.
«Тот факт, что некоторые клопы естественным образом растут в опухолях, и мы можем разработать их для производства и доставки терапевтических средств в организме, – это кардинальное изменение в синтетической биологии», – сказал Хэсти. "Но мы должны найти способы сохранить работоспособность генетических цепей. Еще есть над чем поработать, но мы показываем, что можем поменять местами популяции и поддерживать цепь в рабочем состоянии.
Это большой шаг вперед для синтетической биологии."
Успехи биомедицинских исследований
Одной из исследовательских групп, работающих над дальнейшим развитием и внедрением схемы синхронизированного лизиса, руководит Тал Данино, ныне профессор Колумбийского университета, который также опубликовал основополагающую работу по развитию кворума в синтетической биологии в рамках своей докторской диссертации.D. в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
"Тал недавно показал, что технология синхронизированного лизиса может использоваться для иммунотерапии опухолей у мышей.
Насколько мне известно, они первыми показали, что производство и доставка бактериальных лекарств в леченую опухоль может изменить иммунную систему, чтобы атаковать необработанные опухоли. Результаты впечатляют. Они также подчеркивают, насколько важно для нас выяснить, как поддерживать цикл лизиса в рабочем состоянии как можно дольше », – сказал Хэсти.
Текущий подход не ограничивается системой трех деформаций. Отдельные группы микробов, например, могут быть запрограммированы на производство разных лекарств, предлагая, например, потенциал точной комбинированной лекарственной терапии для лечения рака.
Исследователи изучили динамику популяций с помощью микрофлюидных устройств, которые позволяют контролировать взаимодействие между различными субпопуляциями. Они также продемонстрировали надежность системы при испытаниях в более крупных скважинах.
Следующим шагом будет объединение подхода со стандартными подходами к стабилизации и демонстрация работы системы на моделях живых животных.
«Мы приближаемся к чрезвычайно стабильной платформе доставки лекарств с широким применением для бактериальной терапии», – сказал Хэсти.
Хэсти, Дин и Данино являются соучредителями GenCirq, компании, которая стремится передать эту и связанную с ней работу в клинику.