Американские исследователи придумали стратегию для создания искусственных метаболических путей в клетках. Кроме того, команда создала первую платформу для регулирования состава сообщества микроорганизмов с измененным метаболизмом. Работа ученых опубликована в журнале Nature Communications.

В течение многих лет ученые исследовали методы изменения клеток микроорганизмов, чтобы улучшить способ изготовления широкого спектра продуктов, в том числе лекарств, топлива и даже пива. Используя метаболическую инженерию, ученые ранее разработали методы для создания «умных» бактерий, способных выполнять множество функций, которые влияют на процессы, связанные с доставкой лекарств, пищеварением и даже обеззараживанием воды.

Но изменить метаболизм клеток очень сложно по нескольким причинам. Одна из главных проблем состоит в том, что клетки уже запрограммированы на выполнение своих обычных, повседневных процессов с максимальной эффективностью. Поэтому любые искусственные изменения могут, в свою очередь, нарушить эти процессы и «перегрузить» клетку. Чтобы решить эту проблему, ученые из Института биомедицинских устройств им. Роберта Э. Фишелла сосредоточились на искусственных консорциях — сообществах микроорганизмов, включающих как автотрофы, так и гетеротрофы и поддерживающих баланс в своей мини-экосистеме.

Такая стратегия позволяет клеточному сообществу выполнять функции, на которые их запрограммирует человек, но для этого нужно каким-то образом точно контролировать численность каждого вида клеток. Долгое время ученым не удавалось сделать это. Но группа американских ученых разработала первую известную платформу для автономного регулирования состава консорций с помощью сигнальной химической молекулы, известной как аутоиндуктор-2 (АI-2). AI-2 считается универсальным клеточным сигналом, так как одновременно распознается и производится многими видами бактерий. Он показывает плотность популяции микроорганизмов и считается важным сигналом в естественных консорциях и микробиомах.

Чтобы создать автономную систему, авторы работы перестроили бактериальные сообщества из двух штаммов E. coli так, чтобы скорость роста сообщающихся субпопуляций клеток в консорциях задавалась химическими сигналами. Их система работает как петля обратной связи. Первый штамм бактерий реагирует на AI-2, выделяя аутоиндуктор-1 (AI-1). Второй штамм E. coli регулирует рост остальных клеток, заставляя их делиться или останавливать развитие в ответ на сигнал AI-1. Таким образом, система функционирует автономно, поддерживая баланс численности.