Бактерии имеют плохую репутацию и часто считаются нашими врагами, вызывая многие болезни, такие как туберкулез или холера. Однако они также могут быть союзниками, о чем свидетельствует растущее число исследований нашей бактериальной флоры или микробиоты, которая играет ключевую роль в работе организма.
С появлением биотехнологии исследователи модифицировали бактерии для производства терапевтических препаратов или антибиотиков. В этом новом исследовании они фактически стали диагностическим инструментом.
Медицинская диагностика – серьезная проблема для раннего выявления и последующего мониторинга заболеваний.
Диагностика «in vitro» основана на наличии в физиологических жидкостях (например, крови и моче) молекул, характерных для конкретного заболевания. Из-за неинвазивности и простоты использования диагностика in vitro вызывает большой интерес. Однако тесты in vitro иногда бывают сложными и требуют сложных технологий, которые часто доступны только в больницах.
Вот где в игру вступают биологические системы.
Живые клетки – это настоящие наномашины, которые могут обнаруживать и обрабатывать множество сигналов и реагировать на них. Таким образом, они являются очевидными кандидатами на разработку новых мощных диагностических тестов.
Однако им должна быть предоставлена соответствующая «программа» для успешного выполнения требуемых задач.
Для этого у команды Джерома Бонне из Центра структурной биохимии Монпелье (CBS) возникла идея использовать концепции синтетической биологии, полученные из электроники, для создания генетических систем, позволяющих «программировать» живые клетки, как компьютер.
Транскриптор: краеугольный камень генетического программирования
Транзистор – центральный компонент современных электронных систем. Он действует как переключатель и как усилитель сигнала.
В информатике, комбинируя несколько транзисторов, можно построить «логические вентили»:.е. системы, которые реагируют на различные комбинации сигналов в соответствии с заданной логикой. Например, логический вентиль «И» с двумя входами будет генерировать сигнал, только если присутствуют два входных сигнала. Все расчеты, выполняемые электронными приборами, которые мы используем каждый день, такими как смартфоны, основаны на использовании транзисторов и логических вентилей.
Во время своей постдокторской работы в Стэнфордском университете в США Джером Боннет изобрел генетический транзистор, транскриптор.
Вставка одного или нескольких транскрипторов в бактерии превращает их в микроскопические калькуляторы. Электрические сигналы, используемые в электронике, заменяются молекулярными сигналами, которые контролируют экспрессию генов.
Таким образом, теперь возможно имплантировать простые генетические «программы» в живые клетки в ответ на различные комбинации молекул .
В этой новой работе команды во главе с Джеромом Боннетом (CBS, Inserm U1054, CNRS UMR5048, Университет Монпелье), Франком Молиной (SysDiag, CNRS FRE 3690) совместно с профессором Эриком Ренаром (региональная университетская больница Монпелье) и Дрю Энди ( Стэнфордский университет) применили эту новую технологию для обнаружения сигналов болезни в клинических образцах.
Клинические образцы представляют собой сложную среду, в которой трудно обнаружить сигналы.
Авторы использовали возможности амплификации транскриптора для обнаружения маркеров болезни, даже если они присутствуют в очень малых количествах. Им также удалось сохранить результаты теста в бактериальной ДНК в течение нескольких месяцев.
Таким образом, клетки приобретают способность выполнять различные функции в зависимости от наличия нескольких маркеров, открывая путь к более точным диагностическим тестам, основанным на обнаружении молекулярных «сигнатур» с использованием разных маркеров.
«Мы стандартизировали наш метод и подтвердили надежность наших синтетических бактериальных систем на клинических образцах.
Мы также разработали экспресс-метод подключения транскриптора к новым системам обнаружения. Все это должно упростить повторное использование нашей системы ", – говорит Алексис Курбе, аспирант и первый автор статьи.
В качестве доказательства концепции авторы соединили генетический транзистор с бактериальной системой, которая реагирует на глюкозу, и обнаружили аномальное присутствие глюкозы в моче пациентов с диабетом.
«Мы передали генетические компоненты, использованные в этой работе, в общественное достояние, чтобы позволить их неограниченное повторное использование другими государственными или частными исследователями», – говорит Джером Боннет.
«В настоящее время наша работа сосредоточена на разработке искусственных генетических систем, которые можно модифицировать по запросу для обнаружения различных маркеров молекулярных заболеваний», – добавляет он.
В будущем эта работа также может быть применена для создания микробной флоры для лечения различных заболеваний, особенно кишечных.