Людську кишкову бактерію можна забезпечити молекулярно-генетичним пристроєм, за допомогою якого мікроб буде запам'ятовувати, що відбувалося в організмі господаря.
Щоб дізнатися, що не так у нас зі здоров'ям, ми вимірюємо температуру, вимірюємо тиск, здаємо аналізи. Чим більше інформації отримає лікар, тим краще для пацієнта, але ж неможливо весь час ходити з градусником або похвилинно здавати кров. Крім того, навіть найсучасніші методи діагностики не дають повної картини того, що відбувається - якісь молекули, які могли б вказати на нездоров'я, залишаються непоміченими або через невелику концентрацію, або через те, що вони встигли з'явитися і зникнути між черговими пробами на аналіз.
Тому зараз все активніше робляться спроби розробити такий біосенсор, який можна було б, грубо кажучи, наліпити на людину і знімати свідчення безперервно, в режимі 24/7. Зрозуміло, такий сенсор повинен бути невеликим, щоб не завдавати ніяких незручностей, і при цьому досить чутливим. В першу чергу в голову тут приходить різноманітна мікроелектроніка, проте дослідники з Массачусетського технологічного інституту запропонували більш радикальне і дотепне рішення - вони спробували перетворити на такий біосенсор кишкову бактерію.
Як не дивно, знаменита кишкова паличка тут не зовсім підходить: у кишечнику її не так багато, як бактерій інших видів. Сенсором же повинен служити такий мікроб, який стабільно є у всіх людей і в достатній кількості. До таких універсальних бактерій належить група Bacteroides; з них вибрали одну, під назвою Bacteroides thetaiotaomicron, яку за допомогою молекулярно-генетичних маніпуляцій забезпечили здатністю запам'ятовувати зміни в навколишньому середовищі.
Тут необхідно сказати, що ця робота є продовженням іншої, про яку ми писали в минулому році, коли та ж дослідницька група під керівництвом Тімоті Лю (Timothy Lu) зуміла перетворити бактеріальну ДНК на якусь подобу жорсткого диска. Генетично модифікована кишкова паличка отримувала із зовнішнього середовища якийсь сигнал, який підхоплювали спеціально налаштовані на нього білки, що запускали синтез фрагмента ДНК.
Спеціальний фермент, яким бактерію забезпечили заздалегідь, вбудовував новосинтезовану ДНК в геном, причому в строго визначене місце, задане самими дослідниками. Прочитати цю інформацію можна було, секвенувавши геном бактерії. Або, якщо шматок ДНК вбудовувався в якийсь важливий ген, бактерія сама давала знати про те, що вона щось запам'ятала - просто тому, що ген зі вставкою у неї переставав працювати. Наприклад, якщо вбудовування відбувалося в ген, що забезпечує стійкість до антибіотика, то кишкова паличка ставала до нього чутливою і починала погано рости і розмножуватися.
Тоді у статті в Science автори писали, що їм вдалося змусити бактерій запам'ятати освітлення навколо, а також присутність у середовищі двох молекул, похідного лактози і модифікованого антибіотика. Необхідно підкреслити, що ні світло, ні використані речовини самі по собі не змогли б внести ніяких модифікацій в ДНК кишкової палички - у них просто не було мутагенної сили. Однак за допомогою молекулярної системи, впровадженої в бактеріальну клітку, навіть такі «ненав'язливі» сигнали ззовні змогли залишити свій слід у ДНК. Причому вимірюючи кількість клітин в культурі, у яких відбулися відповідні зміни, можна було зробити висновок про те, якої інтенсивності був сигнал і як довго він тривав.
Медичні перспективи такої бактерії очевидні: запрограмуйте її відчувати запальні молекули, або якісь токсини - і діагностичний біосенсор у вас в руках. Але для цього, по-перше, потрібна універсальна бактерія - нею, як ми сказали, вибрали B. thetaiotaomicron. По-друге, потрібно переконатися, що новий кандидат добре перенесе необхідні генетичні операції і буде працювати як треба.
Очевидно, що тут головне - чутливість: сенсор повинен відчувати за можливості найдрібніші зміни вимірюваних параметрів. У статті в Cell Systems автори пишуть, що їм вдалося багаторазово, в сотні і тисячі разів посилити чутливість B. thetaiotaomicron до певних сигналів, а також зробити її більш стійкою до антимікробних засобів захисту, які можуть спрацювати в кишечнику (адже важлива якість мікробного сенсора - його більш-менш постійна кількість). Чотири різновиди модифікованих бактерій відчували чотири різні сигнали, і, що найголовніше, вони працювали в кишечнику біля мишей. Відчувши зміну в біохімії господаря, бактерії вбудовували в свою ДНК фрагмент, який служив знаком того, що в кишечнику щось сталося - за такими вставками можна було судити про те, що там за зміни трапилися і наскільки вони були сильні.
У цьому і полягає головний сенс роботи: у тому, що сенсорну систему можна впровадити в людську бактерію, і що така бактерія буде працювати в організмі. Правда, поки таким організмом залишається миша, але в найближчому майбутньому, треба думати, метод випробують і на людях - хоча самі автори роботи говорять про те, що до клінічних випробувань справа дійде ще не скоро.
Саму бактерію хочуть змусити відчувати не один, а кілька сигналів, а в ідеалі вона буде не тільки діагностувати, але і синтезувати якісь ліки, так що в організм можна буде посадити справжній діагностико-терапевтичний модуль. Звучить фантастично, але наука на те і наука, щоб казку робити колишньою.