По бактериям теперь можно сверять время

Ученые филиалов университета Калифорнии в Сан-Диего, работающие под руководством Джеффа Хейсти (Jeff Hasty), создали живой часовой механизм — биологический осциллятор, представляющий собой колонию генетически модифицированных бактерий, которые, благодаря простейшей генетической схеме, в течение 50-100 минут испускают ритмичные синхронизированные импульсы флуоресцентного излучения.

По сути, разработка представляет собой первый синхронизированный генетический осциллятор, создание которого является очень важным достижением синтетической биологии. В будущем на основе такого осциллятора можно будет создавать биосенсоры для выявления различных токсинов и системы для дозированного введения препаратов.

Осцилляторы являются важнейшим механизмом биологического мира, определяющим многочисленные цикличные процессы, начиная от сердцебиения и мозговых волн и заканчивая циркадными ритмами. Они также являются важными контрольными механизмами электронных схем. Уже более 10 лет назад биологи разработали первую искусственную версию биологического осциллятора, получившую название «репрессилятор». (2000 год, в котором были созданы репрессилятор и первый генетический переключатель, считается годом рождения синтетической биологии.) Однако первым осцилляторам не хватало точности: отсчитываемый ими ритм быстро нарушался, а частоту и амплитуду колебаний было невозможно контролировать.

В 2008 году Джефф Хейсти и его коллеги создали следующий, более надежный осциллятор, который настраивался с помощью изменения температуры среды культивирования бактерий, концентрации содержащихся в среде питательных веществ и специфических химических агентов. Однако такие осцилляторы были представлены индивидуальными клетками, так как бактерии не хотели работать синхронно. В своей новой работе, результаты которой опубликованы в журнале Nature от 21 января в статье «A synchronized quorum of genetic clocks», авторы усовершенствовали свою разработку, заставив бактерии работать в унисон за счет молекулярного механизма, используемого многими микроорганизмами для общения друг с другом.

Новый осциллятор функционирует за счет комплекса двух генов, обеспечивающих одновременно положительную и отрицательную петлю обратной связи. Этот комплекс активируется сигнальным соединением, которое одновременно запускает свой собственный синтез и синтез обеспечивающего свечение зеленого флуоресцентного протеина. Выходящие из клетки сигнальные молекулы запускают описанный механизм в других бактериях колонии.

Активация этого механизма запускает также синтез белка, разрушающего сигнальное соединение, обеспечивая тем самым отложенную во времени остановку цикла. Динамические взаимодействия различных компонентов механизма внутри клетки и между соседними клетками обеспечивают регулярно повторяющиеся выбросы сигнального соединения и флуоресцентного белка, что внешне проявляется вспышками и затуханием свечения. По словам Мартина Фуссенеггера (Martin Fussenegger), биоинженера из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, это практически то же самое, что обеспечить синхронную работу светофоров всего мира.

Видео-ролик с работой бактериальных часов

Авторы выращивают бактериальные колонии в микрожидкостных чипах собственного производства, позволяющих изменять условия культивирования. Так, например, изменение скорости поступления питательных веществ внутрь чипа меняет период осцилляции.

Синхронизацию активности целой популяции микроорганизмов можно использовать в широком спектре технологий, начиная от биомедицины и заканчивая биоэнергетикой. Например, бактериальные осцилляторы можно применять для выявления токсичных веществ: частота флуоресцентных импульсов будет пропорциональна концентрации токсина в окружающей среде. Еще одним перспективным направлением использования является введение в организм различных препаратов, таких как инсулин, действие которых наиболее эффективно при введении через определенные интервалы времени. В этом случае за дозировку препарата будет отвечать мощность или амплитуда осцилляции, а за интервалы между введениями — частота.

В настоящее время исследователи наблюдают пульсирующее свечение бактериальных колоний в микроскоп, однако они уже работают над созданием версии осциллятора, свечение которого будет видно невооруженным глазом. Они также пытаются увеличить продолжительность периода синхронной активности бактерий. В будущем они планируют комбинировать свои подходы с подходами, применяемыми при разработке более ранних версий генетических осцилляторов, и перенести всю технологию на другие типы клеток, более подходящие для различных направлений биотехнологии.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru