Чтобы помочь в достижении этой цели, инженеры-биологи Массачусетского технологического института разработали новую систему смешивания и сопоставления для генетической инженерии вирусов, нацеленных на определенные бактерии. Такой подход может создать новое оружие против бактерий, для которых нет эффективных антибиотиков, говорит Тимоти Лу, доцент электротехники, информатики и биологической инженерии.«Эти бактериофаги сконструированы относительно модульно.
Вы можете брать гены и менять их местами и получать функциональный фаг с новыми свойствами», — говорит Лу, старший автор статьи, описывающей эту работу, от 23 сентября. издание журнала Cell Systems.Эти бактериофаги также можно использовать для «редактирования» микробных сообществ, таких как популяция бактерий, живущих в кишечнике человека.
В пищеварительном тракте человека есть триллионы бактериальных клеток, и, хотя многие из них полезны, некоторые могут вызывать заболевания. Например, в некоторых сообщениях болезнь Крона связывается с наличием определенных штаммов E. coli.«Мы хотели бы иметь возможность удалить определенных представителей бактериальной популяции и посмотреть, какова их функция в микробиоме», — говорит Лу. «В более долгосрочной перспективе вы можете создать особый фаг, который убивает эту ошибку, но не убивает другие, но для эффективной разработки таких методов лечения требуется больше информации о микробиоме».
Ведущий автор статьи — Хироки Андо, научный сотрудник Массачусетского технологического института. Другими авторами являются научный сотрудник Массачусетского технологического института Себастьян Лемир и Диана Пирес, научный сотрудник Университета Минью в Португалии.
Настраиваемые вирусыУправление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов одобрило несколько бактериофагов для обработки пищевых продуктов, но попытки использовать их в медицинских целях были затруднены, поскольку выделение полезных фагов из почвы или сточных вод может быть утомительным и трудоемким процессом.
Кроме того, каждое семейство бактериофагов может иметь различную организацию генома и жизненный цикл, что затрудняет их разработку и создает проблемы для утверждения регулирующими органами и клинического использования.Команда Массачусетского технологического института намеревалась создать стандартизированный генетический каркас для своих фагов, который они затем могли бы настроить, заменив от одного до трех генов, контролирующих бактериальные мишени фагов.Многие бактериофаги состоят из области головы, прикрепленной к хвосту, что позволяет им цепляться за свои цели. Команда MIT начала с фага из семейства T7, который естественным образом убивает кишечную палочку.
Обмениваясь разными генами хвостового волокна, они генерировали фаги, нацеленные на несколько типов бактерий.«Большая часть фага остается неизменной, и все, что вы меняете, — это область хвоста, которая определяет его цель», — говорит Лу.Чтобы найти гены для обмена, исследователи просмотрели базы данных геномов фагов в поисках последовательностей, которые, по-видимому, кодируют ключевой участок волокна хвоста, известный как gp17.
После того, как исследователи определили гены, которые они хотели вставить в свой фаговый каркас, им пришлось создать новую систему для выполнения генной инженерии. Существующие методы редактирования вирусных геномов довольно трудоемки, поэтому исследователи придумали эффективный подход, в котором они вставляют геном фага в дрожжевую клетку, где он существует как «искусственная хромосома», отдельная от собственного генома дрожжевой клетки. Во время этого процесса исследователи могут легко поменять местами гены в геноме фага и из него.
«Когда у нас появился этот метод, он позволил нам очень легко идентифицировать гены, которые кодируют хвосты, и создавать их или заменять их другими фагами», — говорит Лу. «Вы можете использовать одну и ту же инженерную стратегию снова и снова, что упростит рабочий процесс в лаборатории».Целенаправленный удар
В этом исследовании ученые разработали фаги, которые могут нацеливаться на патогенные бактерии Yersinia и Klebsiella, а также на несколько штаммов кишечной палочки. Все они являются частью группы, известной как грамотрицательные бактерии, против которых существует несколько новых антибиотиков.
В эту группу также входят микробы, которые могут вызывать респираторные, мочевые и желудочно-кишечные инфекции, включая пневмонию, сепсис, гастрит и болезнь легионеров.Одним из преимуществ сконструированных фагов является то, что в отличие от многих антибиотиков, они очень специфичны по своим мишеням. «Антибиотики могут убить много полезной микрофлоры в кишечнике», — говорит Лу. «Мы стремимся создавать эффективные и узкоспектральные методы борьбы с болезнетворными микроорганизмами».Лу и его коллеги сейчас разрабатывают фаги, которые могут нацеливаться на другие штаммы вредных бактерий, которые могут найти применение, например, для опрыскивания посевов или дезинфекции продуктов питания, а также для лечения болезней человека.
Еще одно преимущество этого подхода заключается в том, что все фаги основаны на идентичном генетическом каркасе, что может упростить процесс получения разрешения регулирующих органов, говорит Лу.