Исследователи превращают естественную бактериальную иммунную систему в микроскопический регистратор данных

        

Через несколько умных молекулярных хаков исследователи из Медицинского центра Колумбийского университета превратили естественную бактериальную иммунную систему в микроскопический регистратор данных, заложив основу для нового класса технологий, которые используют бактериальные клетки для всего: от диагностики болезни до мониторинга окружающей среды .

Исследователи модифицировали обычный лабораторный штамм вездесущего микроорганизма кишечника человека Escherichia coli позволяя бактериям не только регистрировать их взаимодействие с окружающей средой, но и время-штамп событий.

«Такие бактерии, проглоченные пациентом, могут регистрировать изменения, которые они испытывают во всем пищеварительном тракте, что дает беспрецедентное представление о ранее недоступных явлениях», – говорит Харрис Ванг, доцент кафедры патологии и клетки Биология и системная биология в CUMC и старший автор новой работы, описанной в сегодняшнем выпуске Science . Другие приложения могут включать в себя экологические исследования и фундаментальные исследования в области экологии и микробиологии, где бактерии могут контролировать невидимые изменения, не нарушая их окружения.

Ван и члены его лаборатории создали микроскопический регистратор данных, воспользовавшись CRISPR-Cas, иммунной системой у многих видов бактерий. CRISPR-Cas копирует фрагменты ДНК из заражающих вирусов, чтобы последующие поколения бактерий могли более эффективно отталкивать эти патогены. В результате локус CRISPR бактериального генома накапливает хронологический отчет о бактериальных вирусах, которые он и его предки выжили. Когда эти же вирусы снова пытаются заразить, система CRISPR-Cas может распознавать и устранять их.

«Система CRISPR-Cas является естественным биологическим запоминающим устройством, – говорит Ван. «С инженерной точки зрения это на самом деле очень приятно, потому что это уже система, которая была отточена благодаря эволюции, чтобы быть действительно великолепной при хранении информации».

CRISPR-Cas обычно использует записанные последовательности для обнаружения и вырезания ДНК входящих фагов. Специфичность этой активности резания ДНК сделала CRISPR-Cas любимицей исследователей генной терапии, которые модифицировали ее, чтобы сделать точные изменения в геномах культивируемых клеток, лабораторных животных и даже людей. Действительно, в настоящее время проводится более десятка клинических испытаний для лечения различных заболеваний с помощью генной терапии CRISPR-Cas.

Но Рави Шет, аспирант лаборатории Ван, увидел нереализованный потенциал в функции записи CRISPR-Cas. «Когда вы думаете о записи временного изменения сигналов с помощью электроники или записи звука … это очень мощная технология, но мы думали, как вы можете масштабировать ее до живых клеток?» говорит Шет.

. Чтобы построить свой микроскопический магнитофон, Шет и другие члены лаборатории Wang модифицировали фрагмент ДНК, называемый плазмидой, что дает ему возможность создавать больше копий себя в бактериальной клетке в ответ на внешний сигнал. Отдельная записывающая плазмида, которая управляет рекордером и маркирует время, выражает компоненты системы CRISPR-Cas. В отсутствие внешнего сигнала активна только записывающая плазмида, и клетка добавляет копии спейсерной последовательности в локус CRISPR в своем геноме. Когда внешний сигнал обнаруживается клеткой, другая плазмида также активируется, что приводит к введению ее последовательностей. Результатом является смесь фоновых последовательностей, которые записывают временные и сигнальные последовательности, которые изменяются в зависимости от среды ячейки. Затем исследователи могут исследовать локус бактериального CRISPR и использовать вычислительные инструменты для чтения записи и ее времени.

Текущая статья доказывает, что система может обрабатывать как минимум три одновременных сигнала и записывать в течение нескольких дней.

«Теперь мы планируем рассмотреть различные маркеры, которые могут быть изменены при изменениях в естественных или болезненных состояниях, в желудочно-кишечной системе или в других местах», – говорит доктор Ванг

Синтетические биологи ранее использовали CRISPR для хранения стихотворений, книг и изображений в ДНК, но это первый случай, когда CRISPR использовался для записи клеточной активности и времени этих событий.

      

Source link