Инженеры Массачусетского технологического института использовали новое мощное оружие против этих супербактерий. Используя систему редактирования генов, которая может отключить любой целевой ген, они показали, что могут выборочно убивать бактерии, несущие вредные гены, которые придают устойчивость к антибиотикам или вызывают заболевание.
Во главе с Тимоти Лу, доцентом кафедры биологической инженерии, электротехники и информатики, исследователи описали свои выводы в выпуске журнала Nature Biotechnology от 21 сентября. В прошлом месяце лаборатория Лу сообщила о другом подходе к борьбе с устойчивыми бактериями, выявив комбинации генов, которые работают вместе, чтобы сделать бактерии более восприимчивыми к антибиотикам.
Лу надеется, что обе технологии приведут к созданию новых лекарств, которые помогут бороться с растущим кризисом, создаваемым устойчивыми к лекарствам бактериями.«Это очень важный момент, когда становится все меньше и меньше доступных новых антибиотиков, но растет устойчивость к антибиотикам», — говорит он. «Мы были заинтересованы в поиске новых способов борьбы с устойчивостью к антибиотикам, и эти статьи предлагают две разные стратегии для этого».
Вырезание сопротивленияБольшинство антибиотиков действуют, вмешиваясь в важные функции, такие как деление клеток или синтез белка. Однако некоторые бактерии, в том числе грозные организмы MRSA (устойчивый к метициллину Staphylococcus aureus) и CRE (устойчивые к карбапенемам Enterobacteriaceae), в результате эволюции стали практически не поддающимися лечению существующими лекарствами.
В новом исследовании Nature Biotechnology аспиранты Роберт Ситорик и Марк Мими работали с Лу, чтобы воздействовать на определенные гены, которые позволяют бактериям выжить при лечении антибиотиками. Система редактирования генома CRISPR представляет собой идеальную стратегию борьбы с этими генами.CRISPR, первоначально открытый биологами, изучающими иммунную систему бактерий, включает набор белков, которые бактерии используют для защиты от бактериофагов (вирусов, заражающих бактерии).
Один из этих белков, фермент, расщепляющий ДНК, называемый Cas9, связывается с короткими направляющими цепями РНК, которые нацелены на определенные последовательности, сообщая Cas9, где делать его разрезы.Лу и его коллеги решили обратить против них собственное оружие бактерий. Они разработали свои направляющие цепи РНК для нацеливания на гены устойчивости к антибиотикам, включая фермент NDM-1, который позволяет бактериям сопротивляться широкому спектру бета-лактамных антибиотиков, включая карбапенемы. Гены, кодирующие NDM-1 и другие факторы устойчивости к антибиотикам, обычно переносятся на плазмидах — кольцевых цепях ДНК, отделенных от бактериального генома, что облегчает их распространение в популяциях.
Когда исследователи повернули систему CRISPR против NDM-1, они смогли убить более 99 процентов бактерий, несущих NDM-1, в то время как антибиотики, к которым бактерии были устойчивы, не вызывали какого-либо значительного уничтожения. Они также успешно нацелены на другой ген устойчивости к антибиотикам, кодирующий SHV-18, мутацию в бактериальной хромосоме, обеспечивающую устойчивость к хинолоновым антибиотикам, и фактор вирулентности в энтерогеморрагической E. coli.Кроме того, исследователи показали, что систему CRISPR можно использовать для выборочного удаления определенных бактерий из различных бактериальных сообществ на основе их генетических сигнатур, что открывает возможности для «редактирования микробиома» за пределами применения антимикробных препаратов.
Чтобы внедрить компоненты CRISPR в бактерии, исследователи создали два средства доставки — сконструированные бактерии, несущие гены CRISPR на плазмидах, и частицы бактериофага, которые связываются с бактериями и вводят гены.
Оба этих носителя успешно распространяют гены CRISPR через популяцию устойчивых к лекарствам бактерий. Доставка системы CRISPR личинкам воскового червя, инфицированным вредоносной формой E. coli, привела к увеличению выживаемости личинок.В настоящее время исследователи тестируют этот подход на мышах и предполагают, что в конечном итоге технология может быть адаптирована для доставки компонентов CRISPR для лечения инфекций или удаления других нежелательных бактерий у пациентов-людей.Высокоскоростной генетический скрининг
Еще один инструмент, который Лу разработал для борьбы с устойчивостью к антибиотикам, — это технология CombiGEM. Эта система, описанная в Proceedings of the National Academy of Sciences за неделю от 11 августа, позволяет ученым быстро и систематически искать генетические комбинации, повышающие чувствительность бактерий к различным антибиотикам.Чтобы проверить систему, Лу и его аспирант Аллен Ченг создали библиотеку из 34 000 пар бактериальных генов. Все эти гены кодируют факторы транскрипции, которые представляют собой белки, контролирующие экспрессию других генов.
Каждая пара генов содержится на одном участке ДНК, который также включает штрих-код из шести пар оснований для каждого гена. Эти штрих-коды позволяют исследователям быстро идентифицировать гены в каждой паре без необходимости секвенировать всю цепь ДНК.«Вы можете воспользоваться преимуществами действительно высокопроизводительных технологий секвенирования, которые позволяют вам за один прием одновременно оценить миллионы генетических комбинаций и выбрать те, которые являются успешными», — говорит Лу.
Затем исследователи доставили пары генов в устойчивые к лекарствам бактерии и лечили их различными антибиотиками. Для каждого антибиотика они определили комбинации генов, которые увеличивали уничтожение бактерий-мишеней в 10 000–1 000 000 раз. В настоящее время исследователи изучают, как эти гены проявляют свои эффекты.«Эта платформа позволяет вам находить действительно интересные комбинации, но она не обязательно говорит вам, почему они работают хорошо», — говорит Лу. «Это высокопроизводительная технология для выявления действительно интересных генетических комбинаций, а затем вам нужно пойти дальше и выяснить механизмы».
По словам Лу, как только ученые поймут, как эти гены влияют на устойчивость к антибиотикам, они могут попытаться разработать новые лекарства, имитирующие эффекты. Также возможно, что сами гены можно будет использовать в качестве лечения, если исследователи найдут безопасный и эффективный способ их доставки.
CombiGEM также позволяет генерировать комбинации из трех или четырех генов более мощным способом, чем ранее существовавшие методы. «Мы очень рады применению CombiGEM для исследования сложных многофакторных фенотипов, таких как дифференцировка стволовых клеток, биология рака и синтетические схемы», — говорит Лу.
