Память бактерий помогает диагностировать воспаление

Бактерии в кишечнике млекопитающих чувствительны к изменениям среды, окружающей их. Ученые давно испытывали желание использовать бактерии для обнаружения болезней или терапевтического воздействия на среду кишечника, но до сегодняшнего дня синтетические генетические «схемы» у бактерий оказались восприимчивыми к мутации и непредсказуемому функционированию, при колонизации кишечника в течение длительного периода времени.

Новая работа, возглавляемая Памелой Силвер из The Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering (буквальный перевод — «институт инженерии, вдохновленной природой») в Гарварде (США), по-видимому, помогла преодолеть это препятствие. Исследование, которое было названо «невероятно захватывающим» другими учеными, заключалось в разработке бактериальной триггерной цепи, которая обнаруживает тетратионат и реагирует на него. Тетратионат — переходный продукт активных форм кислорода, который образуется при воспалении кишечника. Хотя тетратионат может даже быть общим маркером воспаления, до сих пор ученым не удавалось его неинвазивное определение.

Команда Памелы работала с комменсальной бактерией кишечника мышей, Escherichia coli NGF-1, вставляя синтетическую генетическую схему с двумя элементами. Первый эелемент — триггерный, позаимствованным у другой бактерии, S. typhimurium; этот элемент специфически распознает биомаркер (тетратионат) и ответственен за увеличение продукции белка Cro. Белок Cro вызвыает включение второго элемента, напоминающего выключатель, он получен из бактериофага. При включении второго элемента начинается продукция фермента бета-галактозидазы вызывающего окрашивание культуральной среды в синий цвет после помещения в среду бактерий. Таким образом этот элемент формирует «запоминание» встречи с макером воспаления — тетратионатом. Синтетические цепи генов штамма были стабильными во многих поколениях бактерий; исследователи назвали этот новый сконструированный штамм E. coli PAS638.

В присутствии маркера воспаления — тетратионата — культуры модифицированных бактерий окрашиваются в синий цвет

После тестирования in vitro исследователи использовали мышечную модель колита, вызванного бактерией S. typhimurium и обнаружили, что E. coli PAS638 может обнаружить тетратионат in vivo. У этих мышей воспаление количественно определяли с помощью биомаркера липокалин-2 (LCN-2) в сочетании с гистопатологическим исследованием слепой кишки и толстой кишки. Мыши, у которых выделялись PAS638 E. coli, «запомнившие» воспаление, имели более высокий уровень LCN-2 в течение четырех дней после инфицирования. Таким образом, чувствительность E. coli PAS638 к тетратионату соответствовала острому воспалительному ответу. В дополнительных экспериментах исследователи подтвердили, что тетратионат обнаруживается таким же образом у мышей, которые генетически предрасположены к воспалению. Разработанный штамм бактерий сохранил способность обнаруживать тетратионат у мышей в течение по меньшей мере двухсот дней, или при смене более 1600 поколений бактерий.

Это исследование впервые продемонстрировало возможность создания стабильных диагностических бактериальных штаммов, сохраняющих функцию в течение длительного периода времени (шесть месяцев) в кишечнике млекопитающих. Следующей задачей исследовательской группы будет исследование применимости этих сконструированных бактерий к людям, и возможности реализации идеи «живой диагностики».

По словам Дональд Ингбер, профессора Гарварда и основателя Института Wyss, при успехе проекта это будет недорогой и специфный метод мониторинга функции кишечника практически в домашних условиях.

Riglar DT, Giessen TW, Baym M, et al. Engineered bacteria can function in the mammalian gut long-term as live diagnostics of inflammation. Nature Biotechnology. 2017. doi: 10.1038/nbt.3879

Автор: Павел Несмиянов