Вторник, Септември 17, 2019

Синтетични биолози от Университета Райс са разкодирали бактериалната чувствителност със система на "включване и задействане" (plug-and-play), която може да се използва за смесване и съчетаване на десетки хиляди сензорни и генетични резултати. Технологията има широк спектър на  приложение  в медицинската диагностика, изучаването на смъртоносни патогени, мониторинга на околната среда и др.

В проекта, продължил почти шест години, биоинженерът Райс Джеф Табор и колегите му провеждат хиляди експерименти, за да покажат, че могат систематично да пренавият двукомпонентни системи - генетичните кръгове, които бактериите използват, за да усетят околната си среда и да подслушват съседите си.


bacteriaPATTERNSSSДокладът  се появява в проучване, публикувано тази седмица в Nature Chemical Biology.

Групата на Табор пренасочва изходите на известни бактериални сензори
и също така премества сензорите между далечно свързани бактерии.
Най-важното е, че те показват, че могат да идентифицират функцията на непознат сензор.

На базата на геномни анализи, ние знаем, че има най-малко 25 000 двукомпонентни системи в бактериите", каза Табор, "Въпреки това, за около 99% от тях нямаме представа какво усещат или какви гени активират в отговор."

Колко е нужен нов инструмент, който да отключва двукомпонентни системи, се подчертава в научен доклад от 2018 г. където е документирано откритието на два щама на смъртоносна, устойчива на лекарства бактерия, която използва неизвестна двукомпонентна система за избягване на колистин, антибиотик в краен случай. Но Табор заявява, че възможните употреби на инструмента се простират отвъд медицината.

"Това е най-голямото природно богатство на биосензорите", каза той. "Въз основа на изключителната специфичност и чувствителност на някои от двукомпонентните системи, които разбираме, се смята, че бактериалните сензори ще надминат всичко, което хората могат да направят с най-добрите технологии днес."

Табор каза, че това е така, защото бактериалните сензори са усъвършенствани в продължение на милиарди години на еволюция.

"Бактериите нямат нищо подобно на очи, уши или нос, но пътуват в много различни среди - като листа или черва или почвата - и оцеляването им зависи от способността им да усещат и адаптират към тези промени ”, каза той.

"Двукомпонентните системи им позволяват това." каза Табор. " Те са системите, които бактериите използват, за да виждат светлината, да надушват химикалите около тях и  да чуват последните новини от общността, които идват под формата на биохимични съобщения, излъчвани от техните съседи.

Бактериите са най-разпространената форма на живот, а двукомпонентните системи се проявяват в почти всеки бактериален геном, който е секвениран. Повечето видове имат около две дузини сензори, а някои имат по няколкостотин.

Има повече от половин дузина големи категории двукомпонентни системи, но всички те работят по подобен начин.
Имат сензорна киназа (СК) компонент, който "слуша" за сигнал от външния свят и когато го "чува" инициира процес, наречен фосфорилиране. Това активира втория компонент, регулатор на отговорите (РР), който действа върху специфичен ген като го включва или изключва.

Докато генетичният код за компонентите лесно се забелязва на генното сканиране, двойната мистерия прави почти невъзможно биолозите да определят как действа двукомпонентната система.

"Ако не знаете сигнала, който усеща, и не знаете гена, върху който действа, става наистина трудно", каза Табор. "Ние знаем или входа или изхода на около 1% от двукомпонентните системи и знаем едновременно входовете и изходите на по-малко от 1% от системите."

Учените знаят, че СК са типично трансмембранни протеини, с чувствителен домейн, вид биохимична антена, която пронизва бактериалната мембрана. Всеки сензорен домейн е конструиран така, че да фиксира специфична сигнална молекула или лиганд.
Всеки СК има свой собствен лиганд, а свързването с лиганда е това, което започва верижната реакция, която превръща един ген във включен  или изключен.

Важно е, че въпреки че всяка двукомпонентна система е оптимизирана за специфичен лиганд, техните СК и РР компоненти работят по подобен начин. Имайки това предвид, Табор и съпредседателят на проучването Себастиан Шмидл решават в края на 2013 г. да се опитат да заменят ДНК-свързващия домейн, частта от РР, която разпознава ДНК и активира целевия ген на пътя.

"Ако погледнете предишни структурни проучвания, ДНК-свързващият домейн често прилича на товар, който просто се движи от областта на фосфорилирането", каза Табор. "Поради това смятахме, че ДНК-свързващите домейни могат да функционират като взаимозаменяеми модули или лего блокове."

За да изпробва идеята, Шмидл,  пренастройва компонентите на два светлинни сензора, разработени преди това от екипа на Табор, които реагират на червена светлина и други, които реагират на зелена. Шмидл пренасочва входа на сензора за червена светлина към изхода на сензора за зелена светлина на 39 различни места между фосфорилиращите и ДНК-свързващите домени.
За да види дали някой от 39-те сработвания функционира, той ги стимулира с червена светлина и търси отговор в зелена светлина.

"Десет от тях са работили в първия опит и имаше оптимално, точно място, където снаждането наистина изглеждаше добре", каза Табор.

Всъщност тестът работел толкова добре, че Табор и Шмидл си мислели, че може би просто са извадили късмет и са събрали две необичайно добре подбрани пътеки. Така те повтарят теста, като първо прикрепят четири допълнителни ДНК-свързващи домена към същия регулатор на реакцията и по-късно прикрепят пет ДНК-свързващи домена към един и същи сензорен път. Повечето от тези презареждания също са функционирали, което подсказва, че подходът е много по-модулен от всички предишни публикувани подходи.

Шмидл проектира десетки нови химери и провежда стотици други експерименти, за да покаже, че методът може да се използва за смесване и съчетаване на ДНК-свързващи домейни между различни видове бактерии и между различните семейства на двукомпонентни системи.

Табор знае, че научните журнали ще изискват демонстрация на начина, по който технологията може да се използва, и откриването на функцията на напълно нова двукомпонентна система беше най-добрият тест.
За тази цел, докторантът Кристина Дайфлър и доц. д-р. Катрин Бринк трансплантират седем различни неизвестни двукомпонентни системи от бактерията Shewanella oneidensis в Е. coli.
Те създали нов щам на Е. coli за всеки неизвестен сензор и използвали заместване на ДНК-свързващия домейн, за да свържат всичките си дейности с експресията на зелен флуоресцентен протеин.

Макар да не им е известен приноса на никой от седемте, те знаят, че S. oneidensis е открита в езеро в щата Ню Йорк. Въз основа на това, те са избрали 117 различни химикали, които S. oneidensis може да извлече от усещането. Тъй като всяко химично вещество трябва да се тества едно по едно с всеки мутант и контролна група, Бринк извършва и повтаря почти 1000 отделни експеримента. Трудът й  се изплаща, когато открива, че един от сензорите засича промени в рН.

Геномното търсене на новооткрития сензор подчертава важността на наличието на инструмент за отключване на двукомпонентни системи: Датчикът за рН се появи в няколко бактерии, включително патогена, който причинява бубонна чума.

"Това подчертава как отключването на механизма на двукомпонентните системи може да ни помогне да разберем и да се надяваме- да лекуваме болестите по-добре", каза Табор.

Табор ще използва технологията за извличане на геноми от човешки чревни бактерии за нови сензори на заболявания, включително възпалителни заболявания на червата и рак, с цел да се разработи ново поколение пробиотици, които да диагностицират и лекуват тези заболявания.

Източник: ScienceDaily

Нашият сайт се издържа от реклами и дарения. За повече информация, относно тарифите и рекламните формати, свържете се с нас на телефон: 0885 815 108. Ако сте станали свидетел на събитие, което смятате, че трябва да стане обществено достояние, изпратете ни новината на Този имейл адрес е защитен от спам ботове. Трябва да имате пусната JavaScript поддръжка, за да го видите.  Дарения за някоя от нашите каузи, можете да направите от тук. Благодарим за подкрепата!

Въвеждане на коментар... Коментарите ще се опреснят след 00:00.

Бъдете първият коментирал тази статия.

Кажете нещо тук...
Впишете се с ( Регистрация ? )
или изпратете като гост

Log in or Sign up