Исследователи превратили бактерию в молекулярный магнитофон

"Молекулярный магнитофон" поможет отслеживать патогены в организме человека, а также в воздушной или водной среде.

Иллюстрация Wang Lab/Columbia University Medical Center.

Сравнение классической записи и молекулярной.

Иллюстрация Wang Lab/Columbia University Medical Center.

Если превратить бактерию в микроскопический регистратор данных, это позволит собирать информацию буквально обо всём: например, для диагностики болезней или мониторинга окружающей среды.

Эта мысль давно не даёт покоя учёным, и вот теперь команда из Медицинского центра Колумбийского университета (США) осуществила смелые мечты. Исследователи взломали иммунную систему бактерий кишечная палочка (Escherichia coli) и превратили их в "молекулярные магнитофоны". Таким образом специалисты смогут в буквальном смысле записывать и отслеживать всё, что происходит в организме человека и не только.

Авторы выбрали для работы обычный штамм кишечной бактерии E. coli. Чтобы модифицировать микроорганизм, они воспользовались технологией CRISPR-Cas.

Поясним, что система CRISPR представляет собой особые локусы бактерий из прямых повторяющихся последовательностей ДНК. При наличии генов Сas эти локусы помогают бактериям вырабатывать иммунитет под постоянным натиском вирусов в их среде. CRISPR копирует фрагменты ДНК врага и генерируют из них короткие последовательности, которые постепенно накапливаются.

Такая "антивирусная библиотека" нужна, чтобы при повторных атаках патогенов будущие поколения микроорганизмов смогли выжить: CRISPR-Cas тут же распознает патоген и устранит.

"Система CRISPR-Cas является естественным биологическим запоминающим устройством. С инженерной точки зрения это просто прекрасно, потому что мы имеем уже готовый механизм накопления и хранения информации, который совершенствовался в ходе эволюции", — рассказывает ведущий автор исследования Харрис Ван (Harris Wang).

Несмотря на то, что технология редактирования генов уже используется для борьбы с различными болезнями, у неё остаётся огромный нереализованный потенциал – запись и хранение информации, говорят эксперты. Кстати, преимущество биологических "ДНК-накопителей" заключается в огромной плотности хранимой информации, а также долговечности: информация на них может храниться тысячелетиями.

Ранее инструмент редактирования генов CRISPR уже помог учёным превратить ДНК бактерий в "жёсткий диск" и записать на него видео. Но в новой работе учёные пошли иным путём.

Они модифицировали фрагмент ДНК под названием плазмида. Это небольшая молекула, которая содержит гены, повышающие устойчивость бактерии к неблагоприятным внешним факторам.

Специалисты наделили плазмиды двумя различными функциями. Одна группа превратилась в "хронометр" и начала регулярно копировать спейсерную последовательность в локус CRISPR. Вторая группа также предназначена для копирования, но лишь когда бактерия обнаруживает специфический внешний сигнал.

В отсутствие такого сигнала работает только плазмида-рекордер, а если микроорганизм получает сигнал, то активизируется и вторая плазмида, добавляя свои последовательности.

Сравнение классической записи и молекулярной.

В итоге получается смесь из записанных последовательностей – временных и сигнальных. А учёные могут изучить локус CRISPR и при помощи вычислительных инструментов "прочитать" записи, а также определить время, в которое они сделаны.

Пока что новая система может обрабатывать одновременно как минимум три сигнала, а запись длится в течение нескольких дней. Но со временем исследователи планируют улучшить эти показатели.

В частности, они хотят запрограммировать бактерии, чтобы те распознавали (как тот самый сигнал-стимул) изменение состояния окружающей среды или, к примеру, появление в организме человека какой-либо инфекции.

"Такие бактерии, проглоченные пациентом, будут реагировать на изменения, которые происходят во всём пищеварительном тракте. Это даст беспрецедентное представление о процессах, которые ранее изучить "изнутри" было просто невозможно", — поясняет Ван.

По его словам, "молекулярный магнитофон" поможет отслеживать патогены не только в организме человека, но также в воздушной или водной среде.

 

Более подробно о том, как "завербовать" бактерии и превратить их в записывающие устройства, исследователи рассказали в своей статье, которая опубликована в журнале Science.