Ученые из Калифорнийского технологического института (Caltech) разработали биоинженерные бактерии, отвечающие на изменения температуры изменением генной экспрессии. Такие бактерии в будущем могут использоваться для контролируемой доставки и высвобождения лекарственных средств в любом участке тела. Статья опубликована в журнале Nature Chemical Biology.

В последнее время появляется все больше способов микробной терапии — применения биоинженерных бактерий в медицине. Одна из важных областей микробной терапии — это доставка лекарственных средств с помощью бактерий. Однако основной недостаток таких способов доставки заключается в том, что бактерии невозможно контролировать. Между тем, в идеале бактерии нужно не только направить в конкретное место организма, но еще и иметь возможность «включить» их в нужное время. Авторы решили применить в качестве способа контроля температуру.

Для этого авторы использовали два регулятора транскрипции, которые изменяют свою активность в ответ на изменения температуры. Первый представляет собой белок TlpA бактерии Salmonella typhimurium, а второй — белок вируса-бактериофага λ (фаг лямбда) cI. Оба этих белка связываются с ДНК и регулируют экспрессию генов в зависимости от температуры.

К этим белкам ученые применили «направленную эволюцию» — способ белковой инженерии, позволяющий из множества вариантов, полученных с помощью мутагенеза, выбрать нужные. С помощью этого метода авторы «настроили» температуры, на которые реагируют белки. Например, белок сальмонеллы исходно активировался в температурном диапазоне от 42 до 44 градусов. Авторы же создали версию белка, которая активируется при температурах от 36 до 39 градусов. Затем гены, кодирующие эти биоинженерные белки, встроили в геном обычной кишечной палочки Escherichia coli.

Теоретические возможности для применения таких терморегулируемых бактерий в научных исследованиях и в медицине очень широки. Авторы, используя мышей, успешно испытали in vivo три возможных варианта их применения. Первый вариант заключается в том, что бактериям, экспрессирующим некоторое условное лекарственное средство, «приказали» высвобождать это средство только в определенном участке тела пациента (в данном случае — мыши) и нигде больше. Для этого ученые просто нагрели этот участок тела ультразвуком (это очень мягкий способ, позволяющий нагревать крошеные участки тканей с точностью до миллиметра). Во втором варианте применения бактерии запрограммировали на то, чтобы они в нужный момент останавливали доставку лекарственного средства или даже самоуничтожались, когда температура пациента поднимается до определенных значений. Это нужно для остановки терапии в том случае, когда она не сработала (то есть когда у пациента развилась высокая температура).

В третьем эксперименте авторы продемонстрировали, что, помимо медицинских достоинств, терморегулируемые бактерии можно также наделить экологичными свойствами. Исследователи запрограммировали бактерии на то, чтобы они саморазрушались после того, как покинут тело пациента в ходе дефекации и попадут в среду с более низкой температурой. Таким образом можно будет предотвратить попадание большого количества биоинженерных бактерий в окружающую среду.

В предыдущих исследованиях ученые показали, что некоторые бактерии естественным образом двигаются к опухолям, потому что предпочитают гипоксические (низкокислородные) условия. Такие бактерии можно использовать для доставки лекарственных средств непосредственно в гипоксические участки опухолей. В других работах были испытаны бактерии для доставки в кишечник лекарственных средств, снижающих воспаление. А в одном исследовании для доставки лекарственных средств в опухоли были даже использованы диатомовые водоросли.

Автор: Софья Долотовская